Künstliche menschliche Gewebe und Organoide oder "Mini-Organe" haben das Potenzial, in Biologie und Biomedizin zum Verständnis von Zellproliferation, Gewebedynamik und Krankheit beizutragen. Sie könnten in der regenerativen Medizin und in Studien zur Entdeckung von Arzneimitteln eingesetzt werden. Es wird erwartet, dass großmaßstäbliche Gewebemodelle aufgrund ihrer beispiellosen Komplexität die Eigenschaften ihrer menschlichen In-vivo-Gegenstücke gut nachahmen und eine vielversprechende Alternative zu Tierversuchen darstellen.
Die Gefäßbildung im Mikromaßstab ist jedoch von entscheidender Bedeutung, um die in vivo-ähnliche Umgebung in künstlich hergestelltem Gewebe zu reproduzieren. Das Vorhandensein eines Netzwerks von Mikrogefäßen, die aus Kapillaren bestehen, ist für die Mikrozirkulation und den Austausch von Sauerstoff, Nährstoffen und Abfallprodukten unerlässlich. Wissenschaftler der KU Leuven haben sich mit diesem Problem befasst und es geschafft, ein weiches 3D-Mikrofluidikgitter herzustellen, das große Gewebekonstrukte im Kubikmillimeterbereich durchströmen kann. Für die Herstellung der weichen mikrofluidischen Gitter wurde ein Hydrogel-Material gewählt, das für Gase und Nährstoffe durchlässig ist.
3D-Druck von Mikrogefäßnetzwerken
Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) von Nanoscribe ist die Schlüsseltechnologie zur Herstellung von hochvernetzten Netzwerken synthetischer Mikrogefäße. Die Präzision der 2PP-basierten 3D-Drucker ermöglicht die Herstellung filigraner kapillarähnlicher Röhren mit Durchmessern und Dicken von wenigen Mikrometern. Die Drucker können diese Art der Fertigung auch über Volumina von mehreren Kubikmillimetern durchführen. So kann die komplexe Geometrie des Gefäßnetzwerks die Durchblutung über einen großen dreidimensionalen Raum von mehreren zehn Kubikmillimetern sicherstellen. Die Rapid-Prototyping-Fähigkeiten der Nanoscribe-Technologie ermöglichen einen formgenauen Druck der CAD-Geometrie und machen sie zur idealen Technologie für diese anspruchsvolle Mikrofabrikationsaufgabe.
Maßgeschneidertes Hydrogel-Biomaterial
Der Schlüssel zu den erforderlichen Diffusionseigenschaften des Gefäßnetzwerks liegt in der Wahl des Materials. Die Wissenschaftler entwickelten ein maßgeschneidertes Material auf der Basis eines weichen, nicht quellenden Hydrogels, das den Austausch von Sauerstoff, Nähr- und Abfallstoffen ermöglicht. Die nicht quellenden Eigenschaften des Hydrogels sind wichtig, um zu verhindern, dass die Versiegelung zwischen dem weichen mikrofluidischen Gitter und der Kunststoffunterlage, auf die das Gitter 3D-gedruckt wurde, bricht. Die Wahl des nicht quellenden Hydrogels ist auch deshalb möglich, weil die 3D-Drucker von Nanoscribe als offene Materialsysteme konzipiert sind, die mit der Verwendung individuell anpassbarer, kommerziell erhältlicher Materialien von Drittanbietern kompatibel sind.
Beschleunigte Zelldifferenzierung in großen Geweben
Die neuartige weiche mikrofluidische 3D-Zellkulturplattform ermöglicht die Mikroperfusion verschiedener Gewebekonstrukte. Ausgehend von Stammzellen stellten die Wissenschaftler Hirnorganoide und Lebergewebekonstrukte durch kontrollierte Differenzierung her - ein Prozess, bei dem Stammzellen ihre spezifischen Rollen im Körper übernehmen (und z. B. zu Neuronen oder Hepatozyten werden). Die Forscher fanden heraus, dass die Mikroperfusion das Gewebewachstum und den Differenzierungsprozess im Vergleich zu nicht perfundiertem Gewebe und herkömmlicher Zellkultivierung signifikant beschleunigte. Darüber hinaus bestätigte die Analyse des perfundierten Nervengewebes die hohe Lebensfähigkeit des Gewebes über lange Zeiträume hinweg.
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