Μηχανικός του UCLA ανέπτυξε μια τεχνική η οποία χρησιμοποιεί έναν ειδικά διαμορφωμένο τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D printer) για τη δημιουργία θεραπευτικών βιοϋλικών από πολλαπλά υλικά.
Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της on-demand εκτύπωσης πολύπλοκων τεχνητών ιστών για χρήση σε μοσχεύματα και άλλου είδους χειρουργικές επεμβάσεις.
«Οι ιστοί είναι υπέροχα πολύπλοκες δομές, οπότε για να δημιουργήσουμε τεχνητές εκδόσεις τους που λειτουργούν σωστά, πρέπει να αναπαράγουμε την πολυπλοκότητά τους» είπε ο Αλί Χαντεμχοσεϊνί, που ηγήθηκε της έρευνας και είναι καθηγητής στο Samueli School of Engineering του UCLA. «Η νέα μας προσέγγιση παρέχει έναν τρόπο δημιουργίας βιοσυμβατών δομών από διαφορετικά υλικά».
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials. H συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιεί μια διαδικασία που βασίζεται στο φως, στη στερεολιθογραφία, και εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες ενός ειδικά διαμορφωμένου 3D εκτυπωτή που σχεδιάστηκε από τον Χαντεμχοσεϊνί. Ο εκτυπωτής αυτός διαθέτει ένα ειδικό τσιπ που μπορεί να εκτυπώνει διαφορετικά υλικά και έναν ψηφιακό μικροκαθρέφτη με πάνω από ένα εκατομμύριο μικροσκοπικούς καθρέφτες που ο καθένας κινείται ανεξάρτητα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διαφορετικά είδη υδροτζέλ- υλικά που, όταν περνούν από τον εκτυπωτή, σχηματίζουν πλαίσια πάνω στα οποία μπορεί να αναπτυχθεί ο ιστός. Οι μικροκαθρέφτες οδηγούν το φως πάνω στην επιφάνεια εκτύπωσης, και οι φωτιζόμενες περιοχές υποδεικνύουν το διάγραμμα του τρισδιάστατου αντικειμένου που εκτυπώνεται. Το φως επίσης «πυροδοτεί» τον σχηματισμό μοριακών δεσμών στα υλικά, με αποτέλεσμα τα τζελ να στερεοποιούνται. Καθώς το τρισδιάστατο αντικείμενο εκτυπώνεται, το σύστημα των καθρεφτών αλλάζει το μοτίβο του φωτός ανάλογα με το σχήμα του κάθε νέου στρώματος.
Η διαδικασία είναι η πρώτη που χρησιμοποιεί πολλαπλά υλικά για αυτόματο στερεολιθογραφικό bioprinting, κάτι που αποτελεί σημαντική πρόοδο σε σχέση με το συμβατικό στερεολιθογραφικό bioprinting, που χρησιμοποιεί μόνο ένα υλικό. Αν και η συσκευή επίδειξης χρησιμοποίησε μόνο τέσσερα είδη «βιο-μελάνης», οι ερευνητές τονίζουν πως στη διαδικασία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν όσα μελάνια χρειάζονταν.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρώτα τη διαδικασία για απλά σχήματα, όπως πυραμίδες. Μετά ακολούθησαν πιο πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές, αντίστοιχες μυϊκών ιστών και ιστών που συνδέουν μύες με τον σκελετό. Επίσης, εκτυπώθηκαν σχήματα που έμοιαζαν με όγκους, με δίκτυα αιμοφόρων αγγείων, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως βιολογικά μοντέλα για τη μελέτη του καρκίνου. Τα αντικείμενα αυτά εμφυτεύθηκαν δοκιμαστικά σε αρουραίους, και κανένα από αυτά δεν απορρίφθηκε.
Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της on-demand εκτύπωσης πολύπλοκων τεχνητών ιστών για χρήση σε μοσχεύματα και άλλου είδους χειρουργικές επεμβάσεις.
«Οι ιστοί είναι υπέροχα πολύπλοκες δομές, οπότε για να δημιουργήσουμε τεχνητές εκδόσεις τους που λειτουργούν σωστά, πρέπει να αναπαράγουμε την πολυπλοκότητά τους» είπε ο Αλί Χαντεμχοσεϊνί, που ηγήθηκε της έρευνας και είναι καθηγητής στο Samueli School of Engineering του UCLA. «Η νέα μας προσέγγιση παρέχει έναν τρόπο δημιουργίας βιοσυμβατών δομών από διαφορετικά υλικά».
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials. H συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιεί μια διαδικασία που βασίζεται στο φως, στη στερεολιθογραφία, και εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες ενός ειδικά διαμορφωμένου 3D εκτυπωτή που σχεδιάστηκε από τον Χαντεμχοσεϊνί. Ο εκτυπωτής αυτός διαθέτει ένα ειδικό τσιπ που μπορεί να εκτυπώνει διαφορετικά υλικά και έναν ψηφιακό μικροκαθρέφτη με πάνω από ένα εκατομμύριο μικροσκοπικούς καθρέφτες που ο καθένας κινείται ανεξάρτητα.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διαφορετικά είδη υδροτζέλ- υλικά που, όταν περνούν από τον εκτυπωτή, σχηματίζουν πλαίσια πάνω στα οποία μπορεί να αναπτυχθεί ο ιστός. Οι μικροκαθρέφτες οδηγούν το φως πάνω στην επιφάνεια εκτύπωσης, και οι φωτιζόμενες περιοχές υποδεικνύουν το διάγραμμα του τρισδιάστατου αντικειμένου που εκτυπώνεται. Το φως επίσης «πυροδοτεί» τον σχηματισμό μοριακών δεσμών στα υλικά, με αποτέλεσμα τα τζελ να στερεοποιούνται. Καθώς το τρισδιάστατο αντικείμενο εκτυπώνεται, το σύστημα των καθρεφτών αλλάζει το μοτίβο του φωτός ανάλογα με το σχήμα του κάθε νέου στρώματος.
Η διαδικασία είναι η πρώτη που χρησιμοποιεί πολλαπλά υλικά για αυτόματο στερεολιθογραφικό bioprinting, κάτι που αποτελεί σημαντική πρόοδο σε σχέση με το συμβατικό στερεολιθογραφικό bioprinting, που χρησιμοποιεί μόνο ένα υλικό. Αν και η συσκευή επίδειξης χρησιμοποίησε μόνο τέσσερα είδη «βιο-μελάνης», οι ερευνητές τονίζουν πως στη διαδικασία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν όσα μελάνια χρειάζονταν.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρώτα τη διαδικασία για απλά σχήματα, όπως πυραμίδες. Μετά ακολούθησαν πιο πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές, αντίστοιχες μυϊκών ιστών και ιστών που συνδέουν μύες με τον σκελετό. Επίσης, εκτυπώθηκαν σχήματα που έμοιαζαν με όγκους, με δίκτυα αιμοφόρων αγγείων, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως βιολογικά μοντέλα για τη μελέτη του καρκίνου. Τα αντικείμενα αυτά εμφυτεύθηκαν δοκιμαστικά σε αρουραίους, και κανένα από αυτά δεν απορρίφθηκε.
