Het 3D-bioprinten van (delen van) organen kan in de toekomst een oplossing zijn voor het tekort aan orgaandonoren. Bijvoorbeeld bij patiënten met nierfalen. Het is bekend dat er te weinig donoren zijn en dat de wachtlijst voor een niertransplantatie lang is. Het printen van weefsels (bioprinten) is complex. Maar het team van Riccardo Levato van het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht zetten nu een belangrijke stap richting het printen van implanteerbare weefsels.
Via zogeheten computer vision (een tak van kunstmatige intelligentie) ontwikkelde het team een 3D-printer die niet alleen print, maar ook meekijkt en zelf mee ontwerpt. Dit werd onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Daarmee pakt het team een van de grootste uitdagingen in het 3D-bioprinten aan: het verbeteren van de overleving en het functioneren van cellen in geprint levend weefsel.
Speciale bio-inkt
Levende cellen zijn kwetsbaar en zouden niet overleven in een normale 3D-printer. Daarom ontwikkelde het team van Riccardo Levato een speciale ‘bio-inkt’, een mix van voedzame gels en cellen die de cellen beschermt tijdens het printproces. Een nieuwe technologie genaamd Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing (GRACE) luidt een doorbraak in voor het bioprinten van weefsels. In plaats van de traditionele laag-voor-laag methode, maakt GRACE gebruik van volumetrisch printen. Dat is een razendsnelle techniek waarbij een complete structuur in één keer wordt gevormd in een lichtgevoelige gel, geactiveerd door celvriendelijk laserlicht.
Deze aanpak is niet alleen sneller maar ook zachter voor kwetsbare cellen. Het printproces duurt enkele seconden Door precies te analyseren wat er in het printmateriaal zit, zorgt GRACE voor optimaal gevormd weefsel. De technologie opent daarmee de deur naar toepassingen als wondherstel, medicijntesten en op termijn zelfs het printen van complete organen.
Innoveren met laserlicht
Sammy Florczak, PhD-student in Riccardo’s lab bouwde een nieuw apparaat in een gespecialiseerd laboratorium met behulp van geavanceerde lasertechnologieën. GRACE combineert de bestaande print technieken met geavanceerde beeldvorming door middels van lasers. Een belangrijke uitdaging in 3D-bioprinten is het nauwkeurig printen van bloedvaten, die essentieel zijn voor de zuurstof- en voedingsstoftoevoer in weefsels. De nieuwe GRACE-technologie maakt dit efficiënter door eerst de celposities in de gel te detecteren en vervolgens razendsnel een passend bloedvatennetwerk eromheen te ontwerpen.
“Voorheen was het printproces altijd afhankelijk van de ontwerper van de blauwdruk. GRACE denkt ook zelf mee aan het ontwerp,” legt Florczak uit. De printer ‘ziet’ welke cellen er in het printmateriaal zitten en waar deze zich bevinden. Vervolgens gebruikt de printer deze informatie en maakt, door middel van AI-tools, een passend ontwerp voor het te printen object. Deze nieuwe 3D-bioprinter heeft volgens Florczak als het ware zijn eigen ogen en hersenen. Dit maatwerk levert weefsels op die beter overleven en beter functioneren.
Meer dan bloedvaten
De GRACE-technologie kan niet alleen adaptieve bloedvaten maken, maar stemt ook automatisch meerdere printstappen op elkaar af. Zo kan het bijvoorbeeld een extra laag kraakbeen precies passend op een eerder geprint stuk botweefsel printen, zonder handmatig werk. Hoewel bioprinten veel potentie heeft, is er volgens Levato nog veel onderzoek nodig voordat de techniek klinisch toepasbaar is. Hij wijst erop dat het belangrijk is om te begrijpen hoe geprinte cellen kunnen uitgroeien tot functioneel weefsel. Toch kijkt hij ambitieus vooruit: het GRACE-project is pas het begin, met als doel om in de toekomst complexere weefsels zoals hart en lever te kunnen printen en de technologie toegankelijk te maken voor andere onderzoekers.
Onderzoekers van de Penn State University (PSU) hebben vorig jaar een innovatieve bioprint-techniek ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van sferoïden en celclusters om complex weefsel te creëren. Deze methode biedt een aanzienlijke verbetering in precisie en schaalbaarheid en maakt het mogelijk om weefsel sneller te produceren.
