Botweefsel nodig en nergens donors te vinden? Zet de 3D bioprinter maar aan!
Jaarlijks vinden er wereldwijd meer dan 2,2 miljoen bottransplantaties plaats. Helaas kunnen er talrijke complicaties optreden, denk aan infecties of gebrek aan hechting van het botweefsel. En nog belangrijker: er is een enorm tekort aan donorweefsels.
Een nieuwe opkomende tak in de toegepaste wetenschappen die hier een antwoord op probeert te bieden is botweefsel engineering. En daarover gaat mijn thesis ‘Extrusion printing of a hydrogel material for bone tissue engineering’. Welkom in de boeiende wereld van botweefsel engineering.
In essentie is botweefsel engineering een combinatie van cellen die zich in een omgeving bevinden, vaak zogenoemde biomaterialen, dat potentieel heeft om botregeneratie te stimuleren.
Om engineered weefsel in de praktijk te brengen zijn er twee belangrijke pijlers die heel precies moeten worden uitgevoerd: enerzijds het productieproces en anderzijds het biomateriaal dat geïmplementeerd wordt. Met biomateriaal wordt een materiaal bedoelt dat interageert met biologische systemen. Op deze manier kan er een basis gelegd worden van geproduceerde structuren die hun eigenschappen voornamelijk te danken hebben aan het productieproces en de aard van het materiaal. De bekomen resultaten van deze thesis kunnen dan verder dienen als een aanzet tot het implementeren van cellen in deze structuren om zo een stap dichten te komen bij een engineered weefsel.
De focus binnen het productieproces ligt op additieve technieken, meer specifiek een extrusie gebaseerde techniek. De techniek is beter gekend onder het brede publiek als 3D printen en heeft de laatste jaren enorm aan populariteit gewonnen. Weliswaar is dit een gemodificeerde versie, in de vorm van een bioprinter die cellen kan printen, om aan de noden te voldoen van het weefsel engineering domein. In mijn thesis wordt gewerkt met de Inkredible+ Bioprinter van de Zweedse startup Cellink. Opgericht in 2016 en na amper één jaar al naar de beurs getrokken om veel geld op te halen. Het toont aan hoe snel dit domein groeit en het enorme disruptieve potentieel van deze technologie.
Gekoppeld aan het printen van constructies zoals botweefsel zijn een aantal randvoorwaarden. In eerste instantie moet de cel-omgeving biocompatibel zijn en eveneens de levensvatbaarheid en de groei van cellen stimuleren. Een tweede belangrijke vereiste is een zekere mechanische stijfheid en sterkte van de constructie, zeker voor botregeneratie. Vaak is het zoeken naar een evenwicht want wat gunstig is voor het ene is dikwijls ongunstig voor het ander. De grootste uitdaging is dus om een optimale balans te zoeken tussen deze twee factoren. De belangrijkst factoren die een invloed hebben op de mechanische en biologische eigenschappen van een constructie, in het geval van additieve technieken, zijn de print parameters en de materiaaleigenschappen van het biomateriaal. Deze vaststelling ligt aan de basis van de opbouw van de thesis.
Op vlak van biomaterialen ligt de focus uitsluitend op het gebruik van zogenoemde hydrogels. Dit zijn gehydrateerde driedimensionale netwerken van polymeerketens die een ideale omgeving blijken voor cellen. In eerste instantie zal er getest worden welke hydrogels er beschikbaar zijn en welke in aanmerkingen komen. Vervolgens wordt er een studie uitgevoerd naar de eigenschappen van de materialen, de klemtoon ligt hier vooral op de reologische eigenschappen. Reologie, van het Griekse rhei (stromen), is de tak van de natuurkunde die de stromingseigenschappen van materiaal bestudeert, denk bijvoorbeeld aan vervorming door het uitoefenen van druk. Op basis van de resultaten wordt er inzicht verkregen in hoe het materiaal zich gedraagt.
In een latere fase wordt er op zoek gegaan naar de ideale parameters voor het printen met de gekozen hydrogels, dit betreft bijvoorbeeld de printsnelheid en de uitgeoefende druk. Hier komt het voorgaande onderzoek samen om naar een 3D structuur toe te werken en deze ook effectief te realiseren.
Er is nog een lange weg te gaan naar engineered weefsel, maar we gaan een veel belovende toekomst tegemoet die het potentieel heeft om complicaties en het tekort aan donorweefsel voor miljoen patiënten op te lossen. Nog even geduld dus maar het 3D printen van weefsel en zelfs organen op maat komt er aan in een toekomst die al begonnen is.
