3D-geprint ijssjabloon van bloedvaten
Philip LeDuc et al./Carnegie Mellon Universiteit
Complexe kunstmatige organen kunnen worden gecreëerd door een mal van aderen, slagaders en haarvaten in ijs 3D-printen, deze in het organische materiaal te gieten en het ijs vervolgens te laten smelten, wat resulteert in een delicaat, hol netwerk. Dit laat ruimte over voor de complexe kunstmatige bloedvaten die nodig zijn om in het laboratorium gekweekte interne organen te ontwikkelen.
Al tientallen jaren werken onderzoekers aan kunstmatige organen om te helpen voldoen aan de grote mondiale vraag naar transplantaties, zoals harten, nieren en levers. Maar het creëren van de netwerken van bloedvaten die nodig zijn om ze in leven te houden blijft een uitdaging.
Met bestaande technieken kunnen kunstmatige huid of oren worden gekweekt, maar elk vlees of organisch materiaal sterft als het meer dan 200 micrometer van een bloedvat verwijderd is, zegt Philip LeDuc van de Carnegie Mellon Universiteit in Pennsylvania.
“Het is ongeveer twee keer zo groot als een haar; “Als je daar eenmaal overheen bent en er geen toegang meer is tot voedingsstoffen, beginnen de cellen af te sterven”, zegt hij. Interne organen vereisen daarom dat nieuwe processen goedkoop en snel te vervaardigen zijn.
LeDuc en zijn collega’s hebben geëxperimenteerd met het printen van bloedvaten met smeltbare was, maar dat vergt redelijk hoge temperaturen en kan een residu achterlaten. “Op een dag zegt mijn student ineens: ‘Waarom gebruiken we niet gewoon water, het meest biologisch compatibele materiaal ter wereld?'” zegt LeDuc. “En ik heb zoiets van ‘oh ja.’ Ik moet er nog steeds om lachen. Het is zo simpel.”
Ze ontwikkelden een techniek waarbij met 3D-printers in ijs een mal wordt gemaakt van de binnenkant van de bloedvaten van een orgaan. In tests worden ze vervolgens ingebed in een gelatineus materiaal dat uithardt bij blootstelling aan ultraviolet licht, voordat het ijs smelt.
Het team gebruikte een tot -35°C gekoeld platform en een printermondstuk dat honderden waterdruppels per seconde uitspuugde, waardoor structuren zo klein als 50 micrometer konden worden geprint.
LeDuc zegt dat het proces conceptueel eenvoudig is, maar verfijnd moet worden – ze doseren de druppels te snel en bevriezen niet snel genoeg en slagen er niet in de gewenste vorm te vormen, maar geven ze in plaats daarvan te langzaam af en creëren alleen maar klontjes.
Het systeem wordt ook beïnvloed door weer en vochtigheid, dus onderzoeken onderzoekers het gebruik van kunstmatige intelligentie om de printer aan verschillende omstandigheden aan te passen.
Ze gebruikten ook een versie van water waarin alle waterstof werd vervangen door deuterium, een stabiele isotoop van het element. Dit zogenaamde zware water heeft een hoger vriespunt en zorgt voor een gladde structuur waardoor ongewenste kristallisatie wordt vermeden. Uit tests is gebleken dat het veilig is om kunstmatige organen te maken, omdat deuterium niet radioactief is, in tegenstelling tot sommige isotopen, zegt LeDuc.
Onderwerpen: