Cukrowe scaffoldy - przyszłość biodruku 3D?

Naukowcom z Uniwersytetu Illinois udało się opracować nowa metodę druku przestrzennego z cukru. Nie oznacza to jednak, że chcą pójść w ślady 3D Systems – druk 3D z izomaltu, czyli syntetycznego słodzika stosowanego m.in. w gumach do żucia czy pastylkach do ssania, może okazać się szczególnie przydatny podczas tworzenia rusztowań do hodowli komórkowych.

Na łamach Centrum Druku 3D wielokrotnie pisaliśmy, jak trudna i wymagająca jest technologia biodruku 3D – praca z żywymi komórkami wymaga bowiem przestrzegania wielu czynników, takich jak utrzymywanie stałej temperatury oraz sterylnego środowiska.

Badacze zamiast tworzyć struktury przestrzenne z komórkami zatopionymi w hydrożelu (które często obumierają pod wpływem działającego na nich ciśnienia) decydują się na budowanie scaffoldów, na których następnie wysiewane są komórki. Ze względu na charakterystyczną, ażurową budowę rusztowania umożliwiają prawidłowy, niechaotyczny wzrost komórek w określonym kierunku, pozwalając na tworzenie właściwej tkanki.

Badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Illinois wykazały, że alternatywą dla standardowych materiałów wykorzystywanych do drukowania 3D rusztowań może być izolmat – biodegradowalny, rozpuszczalny w wodzie substytut cukru. Wybór tego tworzywa podyktowany był wynikami dotychczas prowadzonych badań nad wykorzystaniem cukru – okazał się on jednak niewłaściwym materiałem do druku 3D ze względu na tendencje do spalania i krystalizacji.

Udało im się również opracować optymalną technologię wytwarzania addytywnego, która nie wymaga tworzenia podpór a cukrowy materiał nanoszony jest w powietrzu (!). Właściwie ustawiony strumień powietrza umożliwia niemal natychmiastowe twardnienie materiału, pozwalając nanosić na niego kolejne ścieżki izomaltu. Technika została stworzona pod kątem produkcji delikatnych, ażurowych struktur, bez litego wypełnienia wewnątrz detalu.

Zespół stworzył specjalną drukarkę 3D, wyróżniającą się stałą, niską temperaturą wewnątrz komory roboczej, pneumatycznym sposobem podawania materiału, a także głowicą o niewielkiej średnicy dla tworzenia cienkich struktur. Dodatkowo, stworzony został algorytm projektowania rusztowań oraz mapowania ścieżek drukowania, tak aby dać pełną kontrolę nad kształtem wydruków. Jak słusznie zauważają twórcy, urządzenie stworzone przez inżynierów materiałowych oraz informatyków może stać się właściwym narzędziem do badań biomedycznych.

W ujęciu biologicznym, rusztowania degradujące w czasie narastania komórek są wyjątkowo interesujące – naukowcy jako przykład ich zastosowania wymieniają hodowanie komórek nowotworowych aby móc przewidywać szybkość czy kierunek narastania, co jest niemożliwe w przypadku płaskich szalek laboratoryjnych.

Co więcej, opracowana technologia pozwala na wytwarzanie również struktur o okrągłym przekroju poprzecznym – kiedy cukier się rozpuszcza naniesione na powierzchni wydruku komórki tworzą strukturę w formie cylindrycznych rurek i tuneli, które mogą działać jak naczynia krwionośne, transportując składniki odżywcze w tkankach lub tworząc kanały w urządzeniach mikroprzepływowych. Obecnie trwają pracę nad sposobami kontrolowania szybkości rozpuszczania się izomaltowych scaffoldów.