Die Kombination eines 2-Photonen 3D-Druckers mit einem Hydrogel-basierten Bio-Material ermöglicht es erstmals, 3D-Strukturen, die lebende Zellen enthalten, direkt zu drucken. Diese lebenden Zellen aus dem 3D-Druck ahmen die natürliche Gewebetopografie nach und sollen in der biomedizinischen Forschung eingesetzt werden.
Ein neuartiges Bio-Material, kombiniert mit einem innovativen 2-Photonen Bio-Drucker, ermöglicht den 3D-Druck mit lebenden Zellen. Der Druck ist sowohl im meso- als auch nanoskaligen Bereich möglich. Der von der UpNano GmbH (Wien) entwickelte NanoOne Bio basiert auf einem Laser-powered 2Photonen 3D-Drucker, der Strukturen über 12 Größenordnungen drucken kann. Das neue Hydrogel wurde gemeinsam mit Xpect INX – ein Spin-Off der Universität Ghent in Belgien entwickelt. Xpect INX hat sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Materialien für die 3D-Druck-Industrie spezialisiert hat. Es ist derzeit das einzige, kommerziell erhältliche Druckmaterial, das die Einbettung lebender Zellen direkt von der Kulturplatte in hochpräzise 3D-gedruckte Strukturen für biologische Anwendungen erlaubt.
Von 2D-Systemen zu 3D-Strukturen
Zweidimensionale Zellkulturen waren für viele Jahrzehnte der Standard in der pharmazeutischen, präklinischen sowie der biomedizinischen Forschung im Allgemeinen.
Es mehrten sich allerdings die Hinweise, dass diese Modelle die zelluläre Interaktion in lebenden Systemen auf dem 3D-Level nur schwach abbilden. Dies ist eine der Ursachen dafür, dass die Entwicklung von Medikamenten, die auf 2D-Systemen basiert, zu irreführenden Ergebnissen führt, was sich in Millionen an Kosten für ergebnislose F&E niederschlägt. Bisher scheiterte der Nachbau komplexer und hochpräziser 3D-Strukturen mitsamt eingebetteter lebender Zellen an der mangelnden Verfügbarkeit von geeigneten Materialien und Drucksystemen. Dies hat sich nun geändert.
Kooperation bringt Innovationssprung
“Das Kombinieren der Kompetenzen von UpNano in der Entwicklung von 3D-Druck-Geräten und von Xpect INX in der Formulierung von innovativen Materialien für den 3D-Druck führten rasch zum Erfolg”, kommentiert Peter Gruber, Head of Technology und Co-Gründer der UpNano. “Wir haben X Hydrobio INX© U200, ein hoch biokompatibles Hydrogel gemeinsam entwickelt, und konnten gleichzeitig eine 2Photonen 3D-Druck-Maschine, die den weitesten Bereich an druckbaren Dimensionen auf dem Markt besitzt, anbieten.” X Hydrobio INX© U200 ist ein wasserlösliches Hydrogel, das den Transfer von Zellkulturen aus 2D-Kulturplatten in komplexe 3D-Strukturen ermöglicht. “Das Gelatine-basierte X Hydrobio INX© U200 wurde speziell für die Einkapselung von verschiedenen Zelltypen entwickelt und erlaubt daher die Erzeugung von komplexen 3D-Mikrogeweben”, sagt Jasper Van Hoorick, Projektleitung bei Xpect INX. “Das Hydrogel ahmt die natürliche zelluläre Umgebung nach und ist biologisch abbaubar, wodurch es den Zellen ermöglicht, das Material graduell durch neu geformtes Gewebe zu ersetzen.”
Hohe Laserstärke bringt außergewöhnliche Präzision
Das Gel löst die Probleme, die bei Standard-Nährmedien, wo die Zellen auf 2D-Art inkubiert werden, auftreten. Das Hydrogel, das die lebenden Zellen enthält, kann direkt in den hoch präzisen 2Photonen 3D-Drucker eingebracht werden. Umfangreiche Untersuchungen zeigten, dass der 780 nm Rotlicht-Laser des NanoOne Bio die lebenden Zellen nicht schädigt, auch nicht bei der außergewöhnlich hohen Laserstärke, die alle NanoOne-Drucker verwenden. Tatsächlich ermöglicht die Verwendung einer so hohen Laserstärke, die einzigartig ist, den Einsatz von Optiken, die die schnelle Produktion von cm-großen Strukturen mit außergewöhnlich hoher Präzision bis hin in den Nanobereich erlauben.
Die Kombination des X Hydrobio INX© U200 mit dem NanoOne Bio eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung & Entwicklung, sowohl für den industriellen als auch für den akademischen Bereich. Prof. James J. Yoo vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (USA) hat sich entschieden, UpNano für zukünftige Entwicklungen zu beraten. Der renommierte Experte für Gewebe-Engineering und Biofabrikation tritt mit April 2021 in den Beirat des Unternehmens ein und wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von neuen Anwendungen für die biomedizinische F&E begleiten.
3D-Zellmodelle, die dem menschlichen Körper ähneln
Die Produktion von “Labs-on-Chip” wird nun nicht nur mit einer beispiellosen Präzision, sondern auch direkt mit lebenden Zellen möglich – was dadurch einerseits Zeit spart und andererseits die Aussagekraft der Ergebnisse verbessert. Oberflächenstrukturen, die natürlichen Geweben ähneln (biomimetische Strukturen), können nun in der Weise geschaffen werden, dass sie eine nahezu natürliche Interaktion zwischen den lebenden Zellen und ihrer Wachstumsumgebung ermöglichen. “Zellen, die auf einer 2D-Kulturplatte in einem Standard-Nährmedium wachsen, sind weit entfernt von ihrer natürlichen physischen Umgebung und unterliegen einem Mangel an Interaktion mit den umgebenden Zellen, der bei lebenden Zellen unter natürlichen Bedingungen in alle Richtungen hin stattfindet”, erklärt Denise Mandt, Co-Gründerin von UpNano. Aus der biomedizinischen F&E ist bekannt, dass ein fehlender 3D-Zell-zu-Zell-Kontakt einen negativen Einfluss auf die Interpretation von Ergebnissen aus Zellmodellen für humane Anwendungen haben kann.
Pharmazeutische Unternehmen und Forschungseinrichtungen werden in der Lage sein, Zellmodelle zu entwickeln, die den natürlichen Wachstumsbedingungen im menschlichen Körper ähneln. Der NanoOne Bio erlaubt die Erzeugung von Oberflächenstrukturen mit höchster Präzision und/oder die Entwicklung von komplexen 3D-Gerüsten im cm-Bereich, die eingebettete Zellen enthalten. Dank des speziellen optischen Aufbaus, den optimierten Scan-Algorithmen und der unternehmenseigenen adaptiven Auflösungstechnologie, bietet das NanoOne-System auch schnellere Produktionszeiten als andere Systeme.
Foto1: applications with human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) © Xpect INX
Foto2: for applications with corneal endothelial cells © Xpect INX
Kontakt UpNano
Denise Mandt
Head Marketing & Business Development, Gründerin
T +43 (0) 1 8901652
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T twitter.com/upnano_gmbh
Kontakt Xpect INX
Jasper Van Hoorick
Projektleitung
T +32 (0) 499169894
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L www.linkedin.com/company/xpect-inx
T twitter.com/XPECTINX
Über UpNano (Stand April 2021)
Im September 2018 als Spin-Out der TU Wien gegründet, ist die UpNano ein in Wien ansässiges Hightech-Unternehmen mit Fokus auf Entwicklung, Herstellung und Kommerzialisierung von hochauflösenden 3D Druck-Systemen, die auf 2 Photonen-Polymerisation basieren. Mit ihrem ersten kommerziellen Produkt, dem NanoOne-Drucksystem, können Mikrobauteile mit Strukturdetails ≥170 nm Auflösung gedruckt werden. Aufgrund des sehr schnellen Druckprozesses ist auch die Herstellung von Teilen bis zur Größe von mehreren Zentimetern realisierbar.
Über Xpect INX
Xpect INX ist ein Spin-Off-Projekt der Universität Ghent und konzentriert sich auf die Entwicklung von Biomaterialien für 3D-Bioprinting Applikationen. Auf der Basis jahrelanger Erfahrung in der Entwicklung von Bio-Tinte offeriert und entwickelt Xpect INX eine Reihe von sofort einsetzbaren (Bio)Tinten für verschiedene 3D-Druck_Technologien an, inklusive 2PP, DLP und deposition-basierten 3D-Druck.
(GZ)
Quelle: PR&D – Public Relations for Research
Der Beitrag 3D-Druck mit lebenden Zellen erschien zuerst auf Jobbörse und Netzwerk für Naturwissenschaftler /-innen.
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