Bioprinting 3D di strutture viventi con sensori chimici integrati

Un team internazionale di ricercatori guidati dal professor Michael Kühl presso il Dipartimento di biologia dell’Università di Copenaghen ha sviluppato un nuovo metodo di bioprinting 3D per il monitoraggio di strutture tissutali complesse .

Insieme ai colleghi tedeschi dell’Università tecnica di Dresda (Centro per la traslazione dell’osso, la ricerca sui tessuti molli e congiunti), il gruppo del professor Kühl ha implementato le nanoparticelle sensibili all’ossigeno in un materiale gel che può essere utilizzato per la stampa 3D di strutture complesse, biofilm e tissutali. cellule viventi e sensori chimici integrati. Il lavoro è stato appena pubblicato nell’ultima rivista scientifica sui materiali, Advanced Functional Materials .

Kühl spiega: “La stampa 3D è una tecnica diffusa per produrre oggetti in plastica, metallo e altri materiali abiotici, così come le cellule viventi possono essere stampate in 3D in materiali biocompatibili in gel (bioink) e tale bioprinting 3D è un campo in rapido sviluppo, ad esempio in studi biomedici, in cui le cellule staminali sono coltivate in costrutti stampati in 3D che mimano la complessa struttura di tessuto e ossa.Tali tentativi non hanno il monitoraggio in linea dell’attività metabolica delle cellule che crescono in costrutti bioprotetti, attualmente tali misurazioni si basano in gran parte su campionamenti distruttivi. ho sviluppato una soluzione in attesa di brevetto per questo problema. ”

Il gruppo ha sviluppato un bioink funzionalizzato implementando nanoparticelle luminescenti sensibili all’ossigeno nella matrice di stampa. Quando la luce blu eccita le nanoparticelle, emettono una luce luminescente rossa in proporzione alla concentrazione di ossigeno locale – più ossigeno diminuisce la luminescenza rossa. La distribuzione della luminescenza rossa e quindi dell’ossigeno nelle strutture viventi bioprotette può essere ripresa con un sistema di telecamere. Ciò consente il monitoraggio on-line e non invasivo della distribuzione e della dinamica dell’ossigeno che può essere mappato alla crescita e alla distribuzione delle cellule nei costrutti bioprintettati in 3D senza necessità di campionamento distruttivo.

Kühl continua: “È importante che l’aggiunta di nanoparticelle non modifichi le proprietà meccaniche del bioink, ad esempio per evitare lo stress cellulare e la morte durante il processo di stampa.Inoltre, le nanoparticelle non dovrebbero inibire o interferire con le cellule. ha risolto queste sfide, poiché il nostro metodo mostra una buona biocompatibilità e può essere utilizzato con microalghe e linee cellulari umane sensibili “.

Lo studio recentemente pubblicato dimostra come i bioink funzionalizzati con le nanoparticelle del sensore possono essere calibrati e utilizzati ad esempio per monitorare la fotosintesi e la respirazione algali e la respirazione delle cellule staminali in strutture bioprotette con uno o più tipi di cellule.

“Questo è un passo avanti nel bioprinting in 3D: è ora possibile monitorare il metabolismo dell’ossigeno e il microambiente delle cellule in linea e non invasivamente in strutture viventi stampate in 3D” afferma il Prof. Kühl. “Una sfida chiave nella crescita delle cellule staminali in strutture più grandi di tessuto o di osso è quella di garantire un apporto sufficiente di ossigeno per le cellule.” Con il nostro sviluppo, è ora possibile visualizzare le condizioni di ossigeno in strutture bioprint test e ottimizzazione della crescita delle cellule staminali in costrutti progettati diversamente. ”

Il team è molto interessato ad esplorare nuove collaborazioni e applicazioni dei loro sviluppi.

Kühl conclude: “Il bioprinting in 3D con bioinks funzionalizzati è una nuova potente tecnologia che può essere applicata in molti altri campi di ricerca rispetto alla biomedicina ed è estremamente stimolante nel combinare scienza dei materiali avanzata e tecnologia dei sensori con la mia ricerca in microbiologia e biofotonica. attualmente impiegano il bioprinting 3D per studiare le interazioni microbiche e la fotobiologia. ”

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