Innovatieve biotinten voor de 3D-bioprinting

Biotinten worden laag voor laag geprint tot een driedimensionaal object. © Fraunhofer IMWS / Bioinks are printed layer by layer to form a three-dimensional object. © Fraunhofer IMWS

Met behulp van een 3D-bioprinter kunnen biologisch functionele 3D-weefsels in het laboratorium worden vervaardigd. © Fraunhofer IMWS / Using a 3D bioprinter, biologically functional 3D tissues can be produced in the laboratory. © Fraunhofer IMWS

De bioprinter is aangeschaft in het kader van het project "Oprichting van een laboratorium voor kwaliteitsborging in de additieve productie - "Qualilab-3D" als onderdeel van de structuurontwikkeling 3D Openlab-Sachsen-Anhalt" met middelen van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRO).

Met de bioprinttechnologie wordt het doel nagestreefd om biologische of biologisch functionele weefsels in het laboratorium te produceren. Met behulp van een 3D-bioprinter wordt biogellaag voor laag geprint tot een complex driedimensionaal object. Dergelijke biogebaseerde 3D-structuren moeten in de toekomst bijvoorbeeld dienen als in-vitro testsystemen in het farmaceutisch onderzoek en ook in de gepersonaliseerde geneeskunde bij de productie van op maat gemaakte vaten en orgaanonderdelen. Om deze visie werkelijkheid te laten worden, ontwikkelen onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS nieuwe biogels die voor verschillende toepassingen geschikt zijn.

Biogels moeten aan een groot aantal eisen voldoen: ze moeten printbaar, mechanisch stabiel en biologisch compatibel zijn, mogen geen toxische bestanddelen bevatten en moeten in hun samenstelling kunnen vernetten tot een hydrogel, om daarmee een geraamte voor de cellen te vormen dat vergelijkbaar is met de natuurlijke matrix in bindweefsel. Afhankelijk van het toepassingsgebied worden verschillende biogels gebruikt. Deze verschillen enerzijds in het gebruikte polymeer en anderzijds daarin of cellen direct worden meegeprint of achteraf in of op de geprinte 3D-structuur worden geplaatst. De momenteel op de markt beschikbare biogels zijn meestal gebaseerd op collageen, gelatine en alginaat, andere biopolymeren worden ontwikkeld.

Hier richten de wetenschappers van het Fraunhofer IMWS zich op en doen momenteel onderzoek naar nieuwe biogels op basis van eiwitten, met de focus op elastine. Naast de ontwikkeling van de biogels zelf worden de mechanische, fysico-chemische en biologische eigenschappen van de geprinte objecten geëvalueerd en wordt de celcompatibiliteit onderzocht.

Tobias Hedtke, wetenschappelijk medewerker bij het Fraunhofer IMWS, legt het doel van het onderzoeksteam als volgt uit: »Op termijn willen we functionele vaten- en orgaandelen kunnen nabootsen met behulp van geoptimaliseerde biogels. Hiervoor zouden bijvoorbeeld computertomografische gegevens van patiënten kunnen worden gebruikt om passende 3D-structuren van bloedvaten te printen en aan de patiënt te implanteren. We hebben ons eerste onderzoeksproject naar nieuwe biogels zeer succesvol afgerond en een patent aangevraagd voor het gebruik van elastine-gebaseerde biogels. Verdere onderzoeksprojecten zijn gepland.«

Een ander toepassingsgebied waar 3D-bioprinting nieuwe mogelijkheden kan openen, is de gepersonaliseerde geneeskunde. In de toekomst zou de productie van op maat gemaakte vaten- en orgaanonderdelen, evenals eindprothesen voor cardiovasculaire toepassingen, nauwkeurig mogelijk kunnen worden gemaakt. Daarnaast worden geminiaturiseerde orgaanmodellen mogelijk, zogenaamde organ-on-a-chip-modellen, die de interactie tussen verschillende organen simuleren. Dergelijke modellen kunnen bijvoorbeeld de medicijnontwikkeling aanzienlijk vergemakkelijken en versnellen en vormen vanwege de hoge reproduceerbaarheid en standaardisatie van de experimenten ook een zeer duurzame optie voor dierproeven.

Momenteel zoeken de onderzoekers naar samenwerkingspartners uit de industrie en de klinische sector om de praktische verdere ontwikkeling van de biogels met het oog op de eisen en toepasbaarheid te bevorderen.