Neue 3D-Drucktechnologie ermöglicht den Bau komplexer Knochenstrukturen

Wissenschaftler haben eine bahnbrechende Methode entwickelt, um komplexe 3D-Strukturen herzustellen, die die Mikrostruktur von Knochen imitieren. Durch die Kombination von Laser-3D-Drucktechnologie und einem alternativen Einweichprozess konnten die Forscher erstmals diese Fabrikationsmethode demonstrieren. Diese Innovation wird dazu führen, dass 3D-Zellkultursysteme entwickelt werden können, die Knochenimplantate unterstützen oder künstliches Knochenmark erzeugen.

Die Forschungsergebnisse wurden im Journal ACS Biomaterials Science & Engineering veröffentlicht und auf dem Cover der am 12. Februar 2024 erschienenen Ausgabe präsentiert.

Der Knochen ist ein Hybridmaterial, das aus organischen und anorganischen Substanzen besteht, hauptsächlich aus Kollagenfasern und einem anorganischen Mineral namens Hydroxylapatit (HAp). Die mineralisierten Kollagenfasern bilden eine hierarchische Struktur, die dem Kortikalen Knochen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Zähigkeit verleiht. Der Kortikale Knochen ist die starke äußere Schicht der langen Knochen.

Die Mikrostrukturen im Knochenmark, auch Knochenmarkniche genannt, dienen als Regulatoren für die hämatopoetischen Stammzellen. Dabei handelt es sich um primitive Zellen, die sich in alle Arten von Blutzellen entwickeln können. Der Mechanismus, durch den die Knochenmarkniche die hämatopoetischen Stammzellen aufrechterhält, ist jedoch immer noch unklar.

Die Transplantation hämatopoetischer Stammzellen bietet eine mögliche Behandlungsstrategie für Leukämie, Lymphom und Immunerkrankungen. Doch die Stammzellen können sich nur schwer außerhalb des Körpers vermehren. Daher könnte die Schaffung eines Transplantationsmodells, das die Knochenmarkumgebung imitiert, eine Lösung für diese Herausforderungen sein. Dies würde es ermöglichen, dass sich die hämatopoetischen Stammzellen in vitro vermehren und dann transplantiert werden können. Darüber hinaus könnte ein Modell, das die Knochenmarkumgebung imitiert, dabei helfen, den Mechanismus zur Aufrechterhaltung hämatopoetischer Stammzellen im Knochenmark in vivo zu klären.

In früheren Forschungen hatten Wissenschaftler bereits Biomaterialien entwickelt, die auf HAp basieren und die Knochenmikrostruktur imitieren. Sie verwendeten Mikrofabrikationstechniken, um 3D-Modelle mit HAp herzustellen und eine biologische Umgebung nachzubilden. HAp-beschichtete Materialien wurden bereits implantationsweise als Knochenersatz verwendet. Die frühere Forschung hat gezeigt, dass HAp-beschichtete Materialien eine Umgebung bieten, die die Zellfunktion unterstützt und eine hohe Affinität zum Knochen aufweist.

Allerdings gab es bei dieser früheren Forschung auch Einschränkungen. “Es war schwierig, organische und anorganische Verbundmaterialien mit präziser Struktur durch Laser-3D-Druck herzustellen”, so Kazutoshi Iijima, Associate Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften an der Yokohama National University.

Die Forscher entschieden sich für eine Fabrikationsmethode, die Laser-Scanning-Stereolithographie mit einem alternativen Einweichprozess kombiniert. Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler mikroskopisch kleine Hydrogelmodelle aus polymerisiertem Gelatinmethacrylat herstellen, einem bioverträglichen, vernetzbaren Polymer, das beim Bioprinting verwendet wird. Anschließend wurden die Modelle mit HAp mithilfe des alternativen Einweichprozesses mit einer Lösung aus Calcium- und Phosphationen modifiziert. Diese Studie ist die erste Demonstration der HAp-Modifikation an 3D-gedruckten Modellen mit einer komplexeren Struktur unter Verwendung des alternativen Einweichprozesses.

Die Forscher entwarfen und konstruierten einfache Linienmodelle und ein pyramidenförmiges Modell mit einer komplexen Struktur. Anhand dieser Modelle konnten sie die gefertigten Modelle verschiedener Größen mithilfe des alternativen Einweichprozesses mit HAp modifizieren, ohne die durch die Stereolithographie geschaffene Mikrostruktur zu verändern. Die Modelle wurden unter verschiedenen Bedingungen getestet, wobei die Tauchzeit und die Anzahl der Einweichzyklen des alternativen Einweichprozesses variiert wurden. Das Team konnte die Dicke der HAp-Schicht kontrollieren, indem sie die Bedingungen des alternativen Einweichprozesses änderten. Anschließend wurden die composite Linienmodelle analysiert und der Mechanismus der HAp-Bildung durch den alternativen Einweichprozess in den Hydrogelen untersucht.

“Durch die Kombination von Laser-3D-Drucktechnologie und dem alternativen Einweichprozess ist es nun möglich, präzise 3D-Gelatinmethacrylat- und Hydroxylapatit-Verbundmaterialien mit präziser Struktur herzustellen”, sagte Hiroki Miyajima, Specially Appointed Assistant Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften an der Yokohama National University.

Das Forschungsteam plant nun, Knochen- und Knochenmarkmodelle zu entwickeln, die die Mikrostruktur von Knochen imitieren und zur regenerativen Medizin beitragen, wie beispielsweise der Regeneration von Knochengewebe und der Vermehrung von hämatopoetischen Stammzellen.

Das Forschungsteam besteht aus Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo und Kazutoshi Iijima von der Yokohama National University in Japan.

Weitere Informationen:
Hiroki Miyajima et al, Microfabrication of Gelatin Methacrylate/Hydroxyapatite Composites by Utilizing Alternate Soaking Process, ACS Biomaterials Science & Engineering (2023). DOI: 10.1021/acsbiomaterials.3c01046

Quelle:
Yokohama National University

Häufig gestellte Fragen (FAQ):

Frage 1: Was haben Wissenschaftler entwickelt?
Antwort: Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, um komplexe 3D-Strukturen herzustellen, die die Mikrostruktur von Knochen imitieren.

Frage 2: Wie wurde diese Methode entwickelt?
Antwort: Die Methode kombiniert Laser-3D-Drucktechnologie und einen alternativen Einweichprozess.

Frage 3: Was ist das Ziel dieser Entwicklung?
Antwort: Das Ziel ist die Entwicklung von 3D-Zellkultursystemen, die Knochenimplantate unterstützen oder künstliches Knochenmark erzeugen können.

Frage 4: Was wurde in der veröffentlichten Studie untersucht?
Antwort: In der Studie wurde die Herstellung von Hydrogelmodellen aus Gelatinmethacrylat untersucht und anschließend mit Hydroxylapatit (HAp) modifiziert.

Frage 5: Wie könnte diese Methode nutzen?
Antwort: Die Methode könnte dazu beitragen, dass sich hämatopoetische Stammzellen in vitro vermehren und transplantiert werden können.

Frage 6: Was wurde in früheren Forschungen bereits entwickelt?
Antwort: In früheren Forschungen wurden Biomaterialien entwickelt, die auf Hydroxylapatit (HAp) basieren und die Knochenmikrostruktur imitieren.

Frage 7: Welche Vorteile bietet die Kombination von Laser-3D-Drucktechnologie und dem alternativen Einweichprozess?
Antwort: Durch diese Kombination ist es möglich, präzise 3D-Gelatinmethacrylat- und Hydroxylapatit-Verbundmaterialien mit einer präzisen Struktur herzustellen.

Frage 8: Was sind mögliche Anwendungen dieser Methode?
Antwort: Mögliche Anwendungen sind die Regeneration von Knochengewebe und die Vermehrung von hämatopoetischen Stammzellen in der regenerativen Medizin.

Wichtige Begriffe:

– Laser-3D-Drucktechnologie: Technologie, bei der dreidimensionale Objekte mittels Laserstrahlen schichtweise aufgebaut werden.
– Hydroxylapatit (HAp): Ein anorganisches Mineral, das hauptsächlich im Knochengewebe vorkommt.
– Hydrogel: Ein gelartiges Material, das aus Wasser und einem vernetzbaren Polymer besteht.
– Gelatinmethacrylat: Ein bioverträgliches Polymer, das häufig beim Bioprinting verwendet wird.
– Stereolithographie: Ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein flüssiges Harz durch UV-Licht schichtweise ausgehärtet wird.

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