Faser

Jun 05, 2023

3D-gedruckter Herzmuskel, der durch mit Fasern angereicherte Tinte schlägt

Im letzten Jahrzehnt haben Fortschritte im 3D-Druck den Bioingenieuren neue Möglichkeiten für den Aufbau von Herzgewebe und -strukturen eröffnet. Zu ihren Zielen gehört die Schaffung besserer In-vitro-Plattformen zur Entdeckung neuer Therapeutika für Herzerkrankungen, die häufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten, die landesweit für etwa jeden fünften Todesfall verantwortlich sind, und die Verwendung von 3D-gedrucktem Herzgewebe, um zu bewerten, welche Behandlungen am besten wirken könnten bei einzelnen Patienten. Ein weiter entferntes Ziel ist die Herstellung implantierbarer Gewebe, die fehlerhafte oder erkrankte Strukturen im Herzen eines Patienten heilen oder ersetzen können.

In einem in Nature Materials veröffentlichten Artikel berichten Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) über die Entwicklung einer neuen Hydrogel-Tinte, die mit Gelatinefasern angereichert ist und den 3D-Druck einer funktionierenden Herzkammer ermöglicht, die das Schlagen nachahmt ein menschliches Herz. Sie entdeckten, dass die mit Fasern angereicherte Geltinte (FIG) es Herzmuskelzellen, die in Form einer Herzkammer gedruckt sind, ermöglicht, sich wie eine menschliche Herzkammer auszurichten und koordiniert zu schlagen.

„Menschen haben versucht, Organstrukturen und -funktionen nachzubilden, um die Sicherheit und Wirksamkeit von Arzneimitteln zu testen und so vorherzusagen, was im klinischen Umfeld passieren könnte“, sagt Suji Choi, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei SEAS und Erstautor des Artikels. Bisher war es jedoch mit 3D-Drucktechniken allein nicht möglich, eine physiologisch relevante Ausrichtung von Kardiomyozyten zu erreichen, den Zellen, die für die koordinierte Übertragung elektrischer Signale zur Kontraktion des Herzmuskels verantwortlich sind.

Wir haben dieses Projekt gestartet, um einige der Unzulänglichkeiten beim 3D-Druck biologischer Gewebe zu beheben.

Die Innovation liegt in der Zugabe von Fasern zu einer druckbaren Tinte. „FIG-Tinte kann durch die Druckdüse fließen, aber sobald die Struktur gedruckt ist, behält sie ihre 3D-Form bei“, sagt Choi. „Aufgrund dieser Eigenschaften habe ich herausgefunden, dass es möglich ist, eine ventrikelartige Struktur und andere komplexe 3D-Formen zu drucken, ohne zusätzliche Stützmaterialien oder Gerüste zu verwenden.“

Um die FIG-Tinte herzustellen, nutzte Choi eine von Parkers Labor entwickelte Rotationsstrahlspinntechnik, die Mikrofasermaterialien nach einem ähnlichen Ansatz herstellt wie Zuckerwatte gesponnen wird. Der Postdoktorand Luke MacQueen, Mitautor der Arbeit, schlug die Idee vor, dass durch die Rotationsstrahlspinntechnik erzeugte Fasern einer Tinte hinzugefügt und in 3D gedruckt werden könnten.

„Als Luke dieses Konzept entwickelte, bestand die Vision darin, den Bereich der räumlichen Maßstäbe, die mit 3D-Druckern gedruckt werden können, zu erweitern, indem der Boden aus den unteren Grenzen herausgelöst und auf den Nanometermaßstab reduziert wird“, sagt Parker. „Der Vorteil der Herstellung der Fasern durch Rotationsstrahlspinnen gegenüber Elektrospinnen“ – einer konventionelleren Methode zur Herstellung ultradünner Fasern – „besteht darin, dass wir Proteine ​​verwenden können, die sonst durch die elektrischen Felder beim Elektrospinnen abgebaut würden.“

Mithilfe der Rotationsdüse zum Spinnen von Gelatinefasern stellte Choi eine Materialbahn her, deren Aussehen der von Baumwolle ähnelte. Als nächstes nutzte sie Sonifikation – Schallwellen –, um diese Schicht in Fasern mit einer Länge von etwa 80 bis 100 Mikrometern und einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 Mikrometern zu brechen. Anschließend verteilte sie diese Fasern in einer Hydrogel-Tinte.

Dieses Konzept ist breit anwendbar – wir können unsere Faserspinntechnik nutzen, um zuverlässig Fasern in den gewünschten Längen und Formen herzustellen.

Der schwierigste Aspekt bestand darin, das gewünschte Verhältnis zwischen Fasern und Hydrogel in der Tinte zu finden, um die Faserausrichtung und die Gesamtintegrität der 3D-gedruckten Struktur aufrechtzuerhalten.

Als Choi 2D- und 3D-Strukturen mit FIG-Tinte druckte, richteten sich die Kardiomyozyten im Tandem mit der Richtung der Fasern in der Tinte aus. Durch die Steuerung der Druckrichtung konnte Choi daher steuern, wie sich die Herzmuskelzellen ausrichten würden.

Als sie mit FIG-Tinte hergestellte 3D-gedruckte Strukturen elektrisch stimulierte, stellte sie fest, dass dies eine koordinierte Kontraktionswelle in Übereinstimmung mit der Richtung dieser Fasern auslöste. Bei einer ventrikelförmigen Struktur „war es sehr aufregend zu sehen, wie die Kammer tatsächlich auf ähnliche Weise pumpt wie echte Herzventrikel“, sagt Choi.

Als sie mit weiteren Druckrichtungen und Tintenformeln experimentierte, stellte sie fest, dass sie innerhalb ventrikelartiger Formen noch stärkere Kontraktionen erzeugen konnte.

„Im Vergleich zum echten Herzen ist unser Ventrikelmodell vereinfacht und miniaturisiert“, sagt sie. Das Team arbeitet nun daran, lebensechteres Herzgewebe mit dickeren Muskelwänden aufzubauen, das Flüssigkeit stärker pumpen kann. Obwohl die 3D-gedruckte Herzkammer nicht so stark ist wie echtes Herzgewebe, könnte sie 5–20 Mal mehr Flüssigkeitsvolumen pumpen als frühere 3D-gedruckte Herzkammern.

Das Team sagt, dass die Technik auch zum Bau von Herzklappen, Miniaturherzen mit zwei Kammern und mehr verwendet werden kann.

„FIGs sind nur ein Werkzeug, das wir für die additive Fertigung entwickelt haben“, sagt Parker. „Wir entwickeln weitere Methoden, während wir weiterhin daran arbeiten, menschliches Gewebe für regenerative Therapeutika aufzubauen. Das Ziel besteht nicht darin, werkzeuggesteuert zu sein – wir sind werkzeugunabhängig.“ auf unserer Suche nach einem besseren Weg, die Biologie aufzubauen.“

Weitere Autoren sind Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T . Pu und Andreas Bausch.

Diese Arbeit wurde von SEAS gesponsert; die National Science Foundation über das Harvard University Materials Research Science and Engineering Center (DMR-1420570, DMR-2011754); die National Institutes of Health und das National Center for Advancing Translational Sciences (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); das Harvard University Center for Nanoscale Systems (CNS), ein Mitglied des National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), das von der National Science Foundation unterstützt wird (ECCS-2025158, S10OD023519); und die Irving S. Sigal Postdoctoral Fellowships der American Chemical Society.

Themen:Biotechnik

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