Onderzoekers willen onherstelbaar beschadigd weefsel vervangen met bioinkt

Een groep onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) werkt aan bioinkt die het mogelijk maakt biologisch functioneel weefsel te 3D-printen om onherstelbaar beschadigd weefsel te vervangen. De onderzoekers hopen met deze inkt implanteerbare weefsels te kunnen printen die veel sneller worden geïntegreerd met het menselijk lichaam dan op dit moment mogelijk is.

3D-printen is een techniek die in toenemende mate wordt omarmd in met name de industrie. De productietechniek wordt hier onder meer ingezet om gepersonaliseerde producten te produceren, reserve-onderdelen voor auto’s direct voor een klant te printen zodat minder voorraden hoeven worden aangehouden en zelfs volledige woningen te printen. 

Biocompatibele weefselstructuren

Ook in de medische sector wordt echter met interesse naar additieve productie gekeken. Een voorbeeld is de bioinkt waar het Fraunhofer IGB al enkele jaren aan werkt. De onderzoekers hopen hiermee de weg vrij te kunnen maken voor de ontwikkeling van biocompatibele weefselstructuren waarmee onherstelbaar weefsel kan worden hersteld. 

De onderzoekers maken gebruik van een 3D-printtechnologie waarbij objecten laag voor laag worden geprint. De bioinkt die hierbij wordt gebruik is een vloeistof die bestaat uit biopolymeren, zoals gelatine, hyaluronzuur en levende cellen. Deze inkt is gedurende het printproces vloeibaar en wordt na het printen met behulp van UV-straling omgezet tot een hydrogel. 

Door de chemische aanstelling van deze hydrogel te wijzigen kunnen onderzoekers onder meer de structuur van de hydrogel aanpassen. Dit maakt het mogelijk de structuur van natuurlijke weefsels na te bootsen. Zo kunnen hardere hydrogels worden gebruikt voor bijvoorbeeld kraakbeen en zachtere hydrogels voor vetweefsel. 

Botcellen en bloedvaten

In samenwerking met de Universiteit van Stuttgart heeft het Fraunhofer IGB daarnaast onlangs twee nieuwe hydrogels gecreëerd: een stijvere gel met minerale componenten om botcellen na te bootsen en een zachtere gel zonder minerale componenten om bloedvaten in staat te stellen zich in capillaire structuur te groeien. De onderzoekers hebben met behulp van dit materiaal een bioinkt voor botten geproduceerd. 

Met dit materiaal willen de onderzoekers niet zo zeer rechtstreeks botweefsel printen, maar hopen dat de cellen in deze inkt het mogelijk maken nieuw botweefsel te laten groeien. De sleutel ligt hierbij volgens de onderzoekers in het gebruik van een speciale mix van het mineraal hydroxyapatiet en biomoleculen. “De beste kunstmatige omgeving voor cellen is een omgeving die het zo dicht mogelijk bij de natuurlijk omstandigheden in het lichaam komt. Dit is waarom de rol van het weefselmatrix in ons geprinte weefsel wordt vervuld door biomaterialen die we creëren uit elementen van de natuurlijke weefselmatrix”, zegt Dr. Kirstin Borchers, verantwoordelijk voor bioprintprojecten bij de Universiteit van Stuttgart.

Vasculaire inkt

Daarnaast hebben de onderzoekers vasculaire inkt ontwikkeld waarmee weefselstructuren kunnen worden gevormd die ruimte bieden voor bloedvaten. Het materiaal dat hiermee wordt gecreëerd bevat openingen waar bloedvaten doorheen kunnen groeien. Een implantaat op basis van dit materiaal kan hierdoor eenvoudiger worden geïntegreerd met de bloedvaten van een patiënt dan een traditioneel implantaat. “Het zou waarschijnlijk niet mogelijk zijn grotere weefselstructuren succesvol te printen zonder vasculaire inkt”, zegt Dr. Achim Weber, hoofd van de Particle-Based Systems and Formulations Group van het Fraunhofer Institute.  

In hun meest recente project richten de onderzoekers van het Fraunhofer IGB zich op een bioinkt die het mogelijk maakt kraakbeen te herstellen. “Ongeacht het soort cel dat we uit menselijk weefsel isoleren en laten vermenigvuldigen in een laboratorium, moeten we een geschikte omgeving creëren waarin zij gedurende langere periodes hun specifieke functies kunnen vervullen”, licht biowetenschapper Lia Rebers uit. 

Andere bioinktprojecten

Het Fraunhofer IGB en de Stuttgart University zijn niet de enige partijen die werken aan bioinkt voor menselijk weefsel. Zo maakte de Amerikaanse Rice University in april bekend osteochondraal weefsel te hebben geprint met behulp van een 3D-printer. De onderzoekers hopen hiermee uitkomst te kunnen bieden voor patiënten met osteochondraal letsel, waarbij zowel het bot als kraakbeen is beschadigd.

In februari werd daarnaast door de Universiteitskliniek voor Gezelschapsdieren van de Universiteit Utrecht een 3D-geprint schedeldak geïmplanteerd bij een hond. Dit schedeldak is gemaakt van titanium en voorzien van een poreuze rand, waar het bot in het implantaat kan groeien om deze te integreren in de schedel.  

De School of Engineering op de Okanagan campus van de Amerikaanse Universiteit van British Columbia ontwikkelde in 2017 eveneens een tweetal bioinkts. Deze inkt is bedoeld voor het printen van kunstmatige organen, iets wat volgens de onderzoekers mogelijk een oplossing kan vormen voor het wereldwijde tekort aan donororganen. Het gaat om een hydrogel op basis van gelatine gemaakt van huidcellen van koudwatervissen en een hydrogel op basis van koud oplosbare gelatine.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology