3D-Bioprinting: Leitfaden für die Auswahl von Biotinte
Was ist 3D-Bioprinting?
Das 3D-Bioprinting ermöglicht die Herstellung von präzise kontrollierten 3D-Zellmodellen und Gewebekonstrukten, indem anatomisch geformte Substrate mit gewebeähnlicher Komplexität hergestellt werden. Aufgrund des hohen Maßes an Kontrolle über Struktur und Zusammensetzung hat das 3D-Bioprinting das Potenzial, vielen kritischen Anforderungen in der medizinischen Forschung zu entsprechen, denen bisher nicht begegnet werden konnte, darunter Anwendungen in der Kosmetikprüfung, der Wirkstoffentdeckung/Frühforschung, der regenerativen Medizin und im funktionellen Organersatz.1 Personalisierte Krankheitsmodelle können mit vom Patienten stammenden Stammzellen, wie induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) oder mesenchymalen Stammzellen, erstellt werden. Je nach Anwendung kann eine Reihe von Materialien, Methoden und Zellen eingesetzt werden, um das gewünschte Gewebekonstrukt zu erhalten (Abbildung 1). Ausführlichere Informationen, einschließlich Fachartikeln zum 3D-Bioprinting, Protokollen und zugehörigen Produkten, finden Sie in unserem Handbuch zum 3D-Bioprinting.
Abbildung 1.3D-Bioprinting von Gewebe und Organen. Biotinten werden durch die Kombination aus kultivierten Zellen und verschiedenen biokompatiblen Materialien hergestellt. Die Biotinten können dann im 3D-Bioprinting-Verfahren zu funktionalen Gewebekonstrukten für das Wirkstoffscreening, die Krankheitsmodellierung und In-vitro-Transplantation verarbeitet werden.
Was sind Biotinten?
Biotinten enthalten lebende Zellen und Biomaterialien, welche die Umgebung der extrazellulären Matrix nachahmen und die Zelladhäsion, -proliferation und -differenzierung nach dem Druck unterstützen. Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckmaterialien müssen Biotinten bestimmte Eigenschaften aufweisen:
- Drucktemperaturen, welche die physiologischen Temperaturen nicht überschreiten
- Milde Vernetzungs- oder Gelierungsbedingungen
- Bioaktive Komponenten, die nicht toxisch sind und nach dem Druck von Zellen verändert werden können
Biotinten für den extrusionsbasierten Druck: Verkapselung von Zellen in Hydrogelen
Die Verkapselung von Zellen in Hydrogelen wird im 3D-Bioprinting eingesetzt, um lebende Gewebestrukturen zu schaffen, indem multizelluläre Bioprinting-Bausteine gebildet werden. Die Zellverkapselung ermöglicht im Vergleich zu anderen Methoden und Materialien eine präzise Kontrolle über die Zellanhaftung und die räumliche Verteilung der Zellen und Biomoleküle innerhalb des Gerüsts.1 Die Kombination mehrerer Zelltypen und Wachstumsfaktoren in einem vorgegebenen Muster ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Gewebekonstrukte.3 Neben der Biokompatibilität müssen Bioprinting-Materialien, die für die Verkapselung von Zellen verwendet werden, einen hohen Wassergehalt und eine hohe Porosität aufweisen, damit die eingekapselten Zellen Nährstoffe aufnehmen und Abfallstoffe abtransportieren können.1 Als in Wasser gequollene, poröse Netzwerke sind Hydrogele ideale Materialien für die Zellverkapselung, die Gewebezüchtung und 3D-Bioprinting-Anwendungen. Hydrogele für das 3D-Bioprinting müssen außerdem eine einstellbare Substratsteifigkeit aufweisen und eine Neugestaltung des Netzwerks nach dem Druck ermöglichen, damit sich Zellen ausbreiten, migrieren, proliferieren und interagieren können.9 Es wird eine Vielzahl von Materialien für Biotinten verwendet, zu den beliebtesten Materialien gehören dabei Gelatine-Methacryloyl (GelMA), Kollagen, Poly(ethylenglykol) (PEG), Pluronic®, Alginat und dezellularisierte Materialien auf Basis der extrazellulären Matrix (EZM) (Tabelle 1).
Biotintenmaterialien vorgestellt: Gelatine-Methacryloyl (GelMA)
Gelatine-Methacryloyl (GelMA) kann zur Bildung von quervernetzten Hydrogelen für die Gewebezüchtung und den 3D-Druck verwendet werden. Biotinten auf GelMA-Basis zeichnen sich durch hervorragende Zytokompatibilität, einstellbare Substratsteifigkeit, verbesserte Druckbarkeit und schnelle Quervernetzung bei Bestrahlung mit UV- oder sichtbarem Licht aus (je nach Identität des Photoinitiators).11 GelMA wird für die Morphogenese von Endothelzellen, Kardiomyozyten, Epidermisgewebe, injizierbare Gewebekonstrukte, Differenzierung der knochenbildenden Zellen und Knorpelregeneration verwendet. Gelatine-Methacryloyl wurde auch in Mikrosphären und Hydrogelen für Wirkstofftransport-Anwendungen eingesetzt.
Abbildung 2.Gelatine-Methacryloyl
Azelluläre Materialien: Strukturelle Gerüste und Polymere
Neben Biotinten werden auch azelluläre Materialien in durch 3D-Bioprinting erzeugten Strukturen verwendet.2 Azelluläre Materialien bieten in der Regel strukturelle Unterstützung für Gewebekonstrukte und können in Verbindung mit Biotinten funktionelle, im Bioprinting gedruckte Gewebe erzeugen. Azelluläre Materialien sind poröse Strukturen, die sowohl die mechanischen als auch die biochemischen Eigenschaften der nativen extrazellulären Matrix (EZM) nachahmen.4 Die Porosität ermöglicht die Zellmigration, das Gewebewachstum, die Gefäßbildung und die Zellviabilität innerhalb dieser strukturellen Konstrukte.6 Darüber hinaus müssen azelluläre Materialien auch die notwendige Oberflächenchemie für die Zellanhaftung, -proliferation und -differenzierung aufweisen.5 Zu den gängigen azellulären Materialien gehören: Kollagen, Fibrin, Chitosan, Nanocellulose, Polymilchsäure (PLA), Polycaprolacton (PCL), Hydroxylapatit (HA) und β-Tricalciumphosphat (β-TCP) (Tabelle 1).
Biotintenmaterial-Bausteine | |||
|---|---|---|---|
| Biotintenmaterial | Überblick | Vorteil | Nachteil |
| Agarose | Polysaccharid aus Seetang extrahiert | Ungiftige Quervernetzung Hohe Stabilität | Nicht abbaubar; Schlechte Zelladhäsion |
| Alginat | Natürlich gewonnenes Biopolymer aus Braunalgen | Milde Quervernetzungsbedingungen (Ca2+) Hohe Geliergeschwindigkeit Hohe Biokompatibilität | Langsame Abbaukinetik; Schlechte Zelladhäsion |
| Chitosan | Polysaccharid, das aus dem äußeren Skelett von Schalentieren (z. B. Garnelen) gewonnen wird. Chitosan, das nicht von Tieren stammt, kann durch Pilzfermentation gewonnen werden. | Hohe Biokompatibilität Antibakterielle Eigenschaften | Langsame Geliergeschwindigkeit |
| Kollagen | Primäres Strukturprotein, das in der Haut und anderen Bindegeweben vorkommt | Hohe biologische Relevanz | Säurelöslich |
| Dezellularisierte EZM | Isolierte extrazelluläre Matrix eines Gewebes aus bewohnenden nativen Zellen | Hohe biologische Relevanz Gewebespezifisch Hohe Zellüberlebensrate | Undefiniert und inkonsistent; Verlust der ursprünglichen EZM-Organisation; Geringe Stabilität |
| Fibrin/Fibrinogen | Unlösliches Protein, das bei der Blutgerinnung gebildet wird | Hohe biologische Relevanz Hohe Geliergeschwindigkeit | Eingeschränkte Druckfähigkeit |
| Gelatine | Proteinsubstanz, die aus teilweise hydrolysiertem Kollagen gewonnen wird | Hohe Biokompatibilität Hohe Wasserlöslichkeit Thermoreversible Gelierung | Geringe Formtreue; Begrenzte Steifigkeit |
| Graphen | Material auf Kohlenstoffbasis, das als eine ein Atom dicke Graphitplatte bezeichnet werden kann | Flexibel Elektrisch leitfähig | Geringe biologische Relevanz |
| Hyaluronsäure (HA) | Nicht-sulfatiertes Glykosaminoglykan, das in Binde-, Epithel- und Nervengeweben weit verbreitet ist. | Hohe Geliergeschwindigkeit Fördert die Zellproliferation | Schlechte Stabilität |
| Hydroxylapatit | Natürlich vorkommende Mineralform von Calciumapatit, das in Zähnen und Knochen vorkommt | Hohe Festigkeit und Steifigkeit | Geringe Druckfähigkeit; Begrenzte Gewebespezifität |
| PCL/PLA/PLGA | Biologisch abbaubare, thermoplastische Polymere und/oder Copolymere | Hohe Festigkeit und Steifigkeit | Geringe Zelladhäsion und -proliferation |
| Pluronic® F127 | Poly(ethylenoxid)- und Poly(propylenoxid)-Blockcopolymer | Druckbar bei Raumtemperaturen Scherverdünnendes Material | Nicht geeignet für die Langzeit-Zellkultur |
Welche 3D-Bioprinting-Methode sollte verwendet werden?
Je nach Art der gewählten Tinte (Biotinte oder azelluläre Materialien) und der Komplexität des finalen Gewebekonstrukts können verschiedene 3D-Druckverfahren eingesetzt werden (Abbildung 1). Die Vor- und Nachteile der gängigen Methoden sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt (Tabelle 2).
| Druckverfahren | Vorteile | Nachteile | Zellkompatibel? |
|---|---|---|---|
| Extrusionsbasiert |
|
| Ja |
| Inkjet-basiert |
|
| Ja |
| Stereolithographie (SLA) |
|
| Ja |
| Laserbasiert |
|
| Ja |
| Schmelzschichtung (FDM, Fused Deposition Modeling) |
|
| Nein |
| Selektives Laser-Sintern (SLS) |
|
| Nein |
Neben dem Tintentyp kann die Bioprinting-Methode auch von der Endanwendung des gedruckten Konstrukts abhängen (Tabelle 3).
Schlussfolgerung
Das 3D-Bioprinting ermöglicht die räumlich kontrollierte Platzierung von Zellen in einer definierten 3D-Mikroumgebung. Biotinten werden durch die Kombination aus Zellen und verschiedenen biokompatiblen Materialien gebildet, die anschließend in bestimmten Formen gedruckt werden, um gewebeähnliche 3D-Strukturen zu erzeugen. Durch die Kombination unseres Fachwissens in den Bereichen Werkstoffwissenschaft und Zellbiologie bieten wir eine Vielzahl Lösungen zur Vereinfachung des 3D-Bioprinting-Workflows.
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Literatur
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