3D-gedrucktes Squishy, ​​Gehirn-ähnliches Gewebe zum ersten Mal

Eine neue 3D-Drucktechnik kann Gewebe erzeugen, die so weich sind wie das matschige Gehirn eines Menschen oder schwammige Lungen - etwas, das vorher nicht möglich war.

"Additive Manufacturing", oder 3D-Druck, verspricht Ärzten, maßgeschneiderte Organe für Patienten zu produzieren, die die eigenen Zellen des Patienten verwenden, was dazu beitragen könnte, den ernsten Mangel an Organen, die für Transplantationsbedürftige zur Verfügung stehen, zu verringern.

Die Technologie hat jedoch immer noch erhebliche Einschränkungen. Um diese Organe zu erzeugen, müssen Bioingenieure 3D-Gerüste drucken, die die Struktur der Organe nachahmen, die dann mit den Zellen besetzt werden. Bisher können nur relativ steife Materialien 3D-gedruckt werden. Aber einige Organe im Körper, wie das Gehirn und die Lunge, haben eine extrem weiche Struktur. [Die seltsamsten Dinge, die 2017 in 3D gedruckt wurden]

"Die Arten von biologischen Strukturen, die zuvor gedruckt wurden, wären beispielsweise Knochen oder steifere Organe wie Leber und Niere", sagt Zhengchu Tan, Forscher am Imperial College London am Department of Mechanical Engineering und Hauptautor einer kürzlich erschienener Artikel, der die neue 3D-Drucktechnik beschreibt.

"Wir haben ein sehr weiches Material verwendet, das ein zusammengesetztes Hydrogel ist, und die weicheren Gewebe, ähnlich dem Gehirn und möglicherweise auch der Lunge, gedruckt", erzählte Tan Live Science.

Aber das Problem beim 3D-Drucken von sehr weichen Materialien ist, dass die darunter liegenden Schichten dazu neigen, zusammenzubrechen, da zusätzliche Schichten während des 3D-Druckprozesses auf ihnen hinzugefügt werden, sagte Tan. In der Tat wird beim 3D-Druck ein Objekt Schicht für Schicht erzeugt, was bedeutet, dass die unteren Schichten in der Lage sein müssen, das Gewicht der wachsenden Struktur zu tragen.

Um dieses Problem zu umgehen, kühlten die Forscher alles ab - buchstäblich. "Wir verwenden einen kryogenen Druckprozess, was bedeutet, dass die vorherige Schicht gefroren ist", sagte Tan. "Das Einfrieren macht die Schicht sehr stabil und stabil, so dass die nächste Schicht darauf gedruckt werden kann und das 3D-Objekt unter seinem Eigengewicht nicht zusammenfällt."

Nachdem der Druck abgeschlossen ist, können die Ingenieure das Objekt langsam auftauen und es behält seine Form, sagte sie.

Für den 3D-Druck des Gerüsts verwendeten die Forscher ein neuartiges Verbund-Hydrogel, das aus zwei Komponenten besteht: einem wasserlöslichen synthetischen Polymer, Polyvinylalkohol, und einer geleeartigen Substanz namens Phytagel.

Dann beschichteten sie die resultierende Struktur mit Kollagen und bevölkerten es mit menschlichen Zellen. Für die Zwecke des Experiments verwendeten die Forscher jedoch Hautzellen anstelle von Gehirnzellen auf einem Gerüst, um das menschliche Gehirn nachzuahmen.

Immer noch begrenzt

Bisher konnten die Forscher nur kleine Proben des hirnartigen Gewebes und nicht das gesamte Gehirn erstellen. [11 Körperteile, die im Labor gewachsen sind]

"Wenn Sie versuchen, ein volles Gehirn mit einem handelsüblichen 3D-Drucker in 3D zu drucken, wird es eine große Herausforderung", sagte der leitende Studienautor Antonio Elia Forte, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Bioengineering, ebenfalls am Imperial College London.

"Wenn man in komplexe Strukturen eindringt, je weicher man mit den Materialeigenschaften umgeht, desto größer ist das Risiko, dass die Geometrie auf sich selbst zusammenbricht", sagte Forte zu Live Science.

Die derzeitige kryogene Technik, die die Forscher verwenden, kühlt das Material durch die 3D-Druckplatte, sagte Forte. Das bedeutet, dass Schichten, die weiter von der Platte entfernt sind, auftauen würden, bevor das gesamte Objekt gedruckt wird, und der gesamte kryogene Effekt würde verloren gehen.

In Zukunft könnten die Forscher die Technik weiter entwickeln, indem sie eine Kammer verwenden, die das ganze Objekt kalt hält, sagte Forte.

Dennoch ist die neue Technik ein Schritt vorwärts. "Jetzt können wir endlich sehr weiche Materialien drucken, und das wurde vorher nicht erreicht", sagte Forte. In Zukunft wollen die Forscher die Technik verbessern, um größere Objekte drucken zu können.

Forte fügte hinzu, dass Bioingenieure wahrscheinlich noch Jahrzehnte davon entfernt sind, voll funktionsfähige komplexe menschliche Organe wie Gehirn oder Lunge mit 3D-Druck zu erstellen. Nichtsdestoweniger könnte die gegenwärtige Technik verwendet werden, um Forschern zu helfen zu untersuchen, wie sich Gehirn- oder Lungengewebe unter verschiedenen Bedingungen verhält - zum Beispiel in Aufprallsituationen, wie traumatischen Gehirnverletzungen.

Das Paper wurde im November 2017 in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

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