Laser-geschweißt Zucker: der Süße Weg zum 3-D-drucken Blutgefäße

Puderzucker ist der spezielle Wirkstoff in einer Rice University Rezept für die imitiert der Körper den komplizierten, verzweigten Blutgefäße im Labor-grown Gewebe.

In der Forschung veröffentlicht heute in der journal Natur Biomedical Engineering, Rice Biotechnologen Kenntnisse zeigten, konnten Sie halten dicht gepackten Zellen am Leben für zwei Wochen in relativ großen Konstrukte durch die Erstellung komplexer, Blutgefäß-Netzwerke von Vorlagen des 3-D-gedruckte Zucker.

„Eine der größten Hürden, um engineering-klinisch relevanten Geweben ist die Verpackung eine große Gewebe-Struktur mit Hunderten von Millionen von lebenden Zellen,“ sagte Studie führen Autor Ian Kinstlinger, ein Bio-student im Aufbaustudium in Rice Brown School of Engineering. Die „Bereitstellung von genügend Sauerstoff und Nährstoffe zu allen Zellen, die durch das große Volumen des Gewebes wird zu einer monumentalen Herausforderung.“

Kinstlinger erklärt, dass die Natur dieses problem gelöst durch die Entwicklung von komplexen vaskulären Netzwerken, die schlängeln sich durch unsere Gewebe und Organe im Muster erinnert an äste. Die Schiffe, die gleichzeitig kleiner geworden, in der Dicke aber größer in der Zahl, wie Sie Zweig-Weg von einer zentralen Stamm, so dass Sauerstoff und Nährstoffe zu werden und unbürokratisch zu den Zellen im ganzen Körper.

„Durch die Entwicklung neuer Technologien und Materialien zu imitieren natürlich vorkommende vaskuläre Netzwerke, wir sind näher an den Punkt, den wir bieten können, mit Sauerstoff und Nährstoffen eine ausreichende Anzahl von Zellen, um sinnvolle langfristige therapeutische Funktion,“ Kinstlinger sagte.

Die Zucker-Vorlagen wurden 3-D-gedruckte open-source, modifiziert, laser-cutter, die im Labor von Studie co-Autor Jordan Miller, assistant professor für bioengineering an der Rice.

„Die 3-D-printing-Prozess, den wir entwickelt, hier ist wie eine sehr präzise creme brulee“, sagte Miller, dessen ursprüngliche inspiration für das Projekt war eine komplizierte nachspeise.

Miller sagte, die komplexe, detailreiche Strukturen möglich gemacht werden durch selektive Lasersintern, 3-D-Druckverfahren, sicherungen minute Körner des Pulvers in soliden 3-D-Objekte. Im Gegensatz zu mehr gemeinsamen extrusion 3-D-Druck, wo die geschmolzenen Stränge von material abgelagert werden, durch eine Düse, laser-Sintern funktioniert durch sanft Schmelzen und Aufschmelzen von kleinen Regionen, in einem gepackten Bett eines trockenen Pulvers. Beide Extrusions-und laser-Sintern bauen 3-D-shapes, 2-D-Schicht zu einem Zeitpunkt, aber die laser-Methode ermöglicht die Erzeugung von Strukturen, die sonst dazu neigen zu kollabieren, wenn extrudierten, sagte er.

„Es gibt bestimmte Architekturen, wie überhängende Strukturen, verzweigte Netzwerke und multivascular Netzwerke—was Sie wirklich nicht tun können, auch mit extrusion Druck“, sagte Miller, der demonstriert das Konzept der Zucker templating mit einem 3-D-extrusion Drucker während seiner Postdoc-Studien an der Universität von Pennsylvania. Miller begann die Arbeit an der laser-Sintern Ansatz kurz nach dem Beitritt von Reis im Jahr 2013.

Die „selektive laser-Sintern gibt uns viel mehr Kontrolle in allen drei Dimensionen, die es uns ermöglicht den einfachen Zugriff auf komplexe Topologien, während noch die Erhaltung der Nutzbarkeit der Zucker material“, sagte er.

Zucker ist besonders nützlich bei der Erstellung von Blut-Gefäß-Vorlagen, weil es ist haltbar, wenn trocken, und es löst sich schnell im Wasser ohne Beschädigung der benachbarten Zellen. Zu Geweben, Kinstlinger verwendet eine spezielle Mischung von Zucker zu print-templates und dann füllt sich das Volumen um das gedruckte Zucker Netzwerk mit einer Mischung von Zellen in flüssigem gel. Das gel wird halbfest innerhalb von Minuten, und der Zucker wird dann aufgelöst und weggespült zu verlassen, einen offenen Durchgang für Nährstoffe und Sauerstoff.

„Ein großer Vorteil dieses Ansatzes ist die Geschwindigkeit, in der wir generieren der einzelnen Gewebe-Struktur,“ Kinstlinger sagte. „Wir können es schaffen, einige der größten tissue-Modelle noch vorgeführt in weniger als fünf Minuten.“

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Miller sagte, die neue Studie beantwortet zwei wichtige Fragen: Was Kohlenhydrate können gesintert werden in kohärente Strukturen, und was computational algorithmen ableiten kann, die komplexen, verzweigten Architekturen, die die mimik in der Natur gefunden?

Der Berechnungs-Algorithmus, erzeugt die baumartigen Kreislauf-Architekturen in die Studie entstand in Zusammenarbeit mit dem Nervensystem, ein design-studio, nutzt computer-simulation, um einzigartige Kunst -, Schmuck-und Haushaltswaren, die sind inspiriert durch die Muster in der Natur gefunden.

„Wir verwenden algorithmen, von der Natur inspiriert zu erstellen funktionale Netzwerke für Taschentücher“, sagt Jessica Rosenkrantz, co-Gründer und creative director des Nervensystems und eine Studie co-Autor. „Denn unser Ansatz ist es, Algorithmische, ist es möglich, erstellen Sie angepasste Netzwerke für verschiedene Zwecke“.

Nach dem erstellen Gewebe gemustert mit diesen rechnerisch erzeugte Kreislauf-Architekturen, das team hat gezeigt, dass die Aussaat von Endothelzellen innerhalb der Kanäle und konzentriert sich auf die Untersuchung des überlebens und der Funktion von Zellen, gewachsen in das umliegende Gewebe, einschließlich nagetier Leber Zellen, die sogenannten Hepatozyten. Die Hepatozyten wurden Experimente durchgeführt, in Zusammenarbeit mit der University of Washington (UW) bioengineer und Studie co-Autor Kelly Stevens, dessen Forschungsgruppe ist spezialisiert auf die Untersuchung der empfindlichen Zellen, die sind notorisch schwer zu pflegen sind außerhalb des Körpers.

„Dieses Verfahren könnte auch verwendet werden, mit einer viel breiteren Palette von material-cocktails, als viele andere bioprinting-Technologien“, sagte Stevens. „Das macht es unglaublich vielseitig.“