3D print af levende strukturer med indbyggede sensorer – Biologisk Institut - Københavns Universitet

BIO > Nyheder & presse > Nyheds- og pressearkiv > 3D print af levende st...

28. september 2018

3D print af levende strukturer med indbyggede sensorer

Ny teknologi

En ny 3D-print metode kan afsløre, hvor effektivt levende celler optager eller producerer ilt når de vokser i komplekse strukturer. Det kan få stor betydning for blandt andet forståelsen af bakterie interaktioner og hvordan mikroalger bedst mulig omsætter lys, men det kan også blive et stærkt redskab inden for stamcelleforskningen og vævs- og knoglebehandling.

Et internationalt forskerhold ledet af Professor Michael Kühl ved Biologisk Institut, Københavns Universitet har netop publiceret en banebrydende ny teknik indenfor 3D bioprint. Sammen med tyske kolleger ved TU Dresden har Michael Kühls gruppe for første gang implementeret ilt-følsomme nanopartikler i en hydrogel, der kan bruges til at 3D printe komplekse biofilm og vævslignende strukturer med levende celler. Metoden er netop publiceret i det anerkendte materiale-teknologiske tidskrift Advanced Functional Materials.  

Michael Kühl forklarer: ”3D printere er vidt udbredte og anvendes i mange sammenhænge til produktion af emner i plast, metal og andre materialer. Levende celler kan også 3D printes i gel-materialer, og 3D bioprint-teknikker er i en rivende udvikling inden for f.eks. biomedicinsk vævs-og knogle-rekonstruktion. Her dyrkes stamceller i 3D printede strukturer, der simulerer væv og knoglers komplekse struktur. Men indtil nu har det været en hæmsko, at cellernes stofskifte i sådanne strukturer ikke har kunnet moniteres online uden destruktiv prøvetagning. Det problem har vi nu løst, og opfindelsen er pt. ved at blive patenteret”.

3D bioprint med Chlamydomonas grønalger i en hydrogel.
Foto: Anja Lode, TU Dresden

 Forskergruppen har implementeret iltfølsomme nanopartikler i det gelmateriale, som anvendes til at 3D printe celler. Når nanopartiklerne i de printede strukturer stimuleres kortvarigt med blåt lys, udsender de rødt lys, hvor intensiteten afspejler iltkoncentrationen – jo mere ilt desto mindre rødt lyd udsendes. Fordelingen af rød lysudsendelse henover 3D bioprintede strukturer kan optages online med et kamerasystem, hvorved fordelingen af ilt kan kortlægges i forhold til fordelingen af celler i de printede strukturer - uden at det er nødvendigt at udtage prøver.

Michael Kühl fortsætter: ”Det er vigtigt, at nanopartiklerne ikke påvirker gelmaterialets mekaniske egenskaber for at undgå at cellerne ødelægges ved printprocessen. Samtidig bør nanopartiklerne ikke have indflydelse på cellernes stofskifte. Vi har løst begge dele, og vores metode kan benyttes både på mikroalger og følsomme humane stamceller.”

I artiklen viser forskerholdet, hvordan den nye metode kan anvendes til at monitere mikroalgers fotosyntese og respiration og stamcellers respiration i bioprintede strukturer med en eller flere forskellige celletyper printet i forskellige gelstrukturer.

3D bioprint kombineret med iltfølsomme nanopartikler.
Kilde: Advanced Functional Materials (https://doi.org/10.1002/adfm.201804411).

”Det er altså lidt af et gennembrud inden for bioprint- og materiale-forskningen det her. Man kan nu monitere cellers iltmetabolisme i intakte 3D printede levende strukturer online” siger Michael Kühl. ”En central udfordring i forbindelse med vækst af stamceller i større vævs- eller knogle-strukturer er at sikre cellerne en tilstrækkelig iltforsyning. Med vores teknik kan vi nu direkte visualisere iltforholdene i bioprintede strukturer, hvilket f.eks. åbner op for hurtig test og optimering af stamcellers vækst og aktivitet i printede strukturer med forskellige design.

Forskerholdet er meget interesseret i at starte nye samarbejder omkring denne nye metode, så yderligere anvendelser kan studeres og iværksættes.

Michael Kühl slutter: ”Det er utroligt inspirerende at kombinere avanceret materialeforskning med min forskning i mikroorganismers økologi og fysiologi. Det er en spændende teknologi, der kan anvendes i mange andre områder end i medicinsk forskning, og 3D bioprint indgår nu som en vigtig del i mine seneste forskningsbevillinger. I et nyt projekt fra Danmarks Frie Forskningsråd ǀ Natur og Univers vil vi f.eks. genskabe naturlige lagdelte biofilm der vokser på porøse oveflader i naturlige miljøer. Og i et netop bevilliget Eksperiment projekt fra Villumfonden, vil vi prøve at bioprinte mikroalger i strukturer med forskellige grader af rumlig kompleksitet, der simulerer, hvordan højere planter organiserer deres blade på i trækroner for at se om dette kan føre til en bedre lysudnyttelse i kompakte alge biofilm. Med andre ord vil vi prøve at 3D printe mikrobielle skove.”

Arbejdet med at udvikle de nye 3D bioprint teknikker har været støttet af en apparaturbevilling fra Carlsbergfondet samt Danmarks Frie Forskningsfod, via en Sapere-Aude Topforsker-bevilling og via projektbevillinger fra Forskningsrådet for Natur og Univers (FNU) og Forskningsrådet for Teknologi og Produktion (FTP).