Dank der Kombination eines 2-Photonen 3D-Druckers mit einem innovativen, Hydrogel-basierten Bio-Material ist es jetzt erstmals möglich, 3D-Strukturen, die lebende Zellen enthalten, direkt zu drucken – und zwar sowohl im meso- als auch nanoskaligen Bereich. Der von der UpNano GmbH (Wien) entwickelte NanoOne Bio ist ein Drucker, der auf der erfolgreichen NanoOne-Linie von Laser-powered 2Photonen 3D-Druckern basiert, die Strukturen über 12 Größenordnungen drucken können.
Das neue Hydrogel wurde gemeinsam mit Xpect INX (Ghent, Belgien) entwickelt – einem Spin-Off Projekt, das sich auf die Entwicklung von biokompatiblen Materialien für die 3D-Druck-Industrie spezialisiert hat. Es ist das einzige kommerziell erhältliche Druckmaterial, das die Einbettung lebender Zellen direkt von der Kulturplatte in hochpräzise 3D-gedruckte Strukturen für biologische Anwendungen erlaubt.
Zweidimensionale Zellkulturen waren für viele Jahrzehnte der Standard in der pharmazeutischen, präklinischen sowie der biomedizinischen Forschung im Allgemeinen.
Es mehrten sich allerdings die Hinweise, dass diese Modelle die zelluläre Interaktion in lebenden Systemen auf dem 3D-Level nur schwach abbilden. Dies ist eine der Ursachen dafür, dass die Entwicklung von Medikamenten, die auf 2D-Systemen basiert, zu irreführenden Ergebnissen führt, was sich in Millionen an Kosten für ergebnislose F&E niederschlägt. Bisher scheiterte der Nachbau komplexer und hochpräziser 3D-Strukturen mitsamt eingebetteter lebender Zellen an der mangelnden Verfügbarkeit von geeigneten Materialien und Drucksystemen. Dies hat sich nun geändert: dank der gemeinsamen Entwicklung des neuen Hydrogel-basierten Bio-Materials durch Xpect INX und UpNano in Kombination mit dem neuen Druckermodell NanoOne Bio.
Kombination von X Hydrobio INX© U200 und NanoOne Bio
Das Kombinieren der Kompetenzen von UpNano in der Entwicklung von 3D-Druck-Geräten und von Xpect INX in der Formulierung von innovativen Materialien für den 3D-Druck führten rasch zum Erfolg. Wir haben X Hydrobio INX© U200, ein hoch biokompatibles Hydrogel, gemeinsam entwickelt und konnten gleichzeitig eine 2Photonen 3D-Druck-Maschine, die den weitesten Bereich an druckbaren Dimensionen auf dem Markt besitzt, anbieten.
Peter Gruber, Head of Technology und Co-Gründer der UpNano
X Hydrobio INX© U200 ist ein wasserlösliches Hydrogel, das den Transfer von Zellkulturen aus 2D-Kulturplatten in komplexe 3D-Strukturen ermöglicht. „Das Gelatine-basierte X Hydrobio INX© U200 wurde speziell für die Einkapselung von verschiedenen Zelltypen entwickelt und erlaubt daher die Erzeugung von komplexen 3D-Mikrogeweben“, sagt Jasper Van Hoorick, Projektleitung bei Xpect INX. „Das Hydrogel ahmt die natürliche zelluläre Umgebung nach und ist biologisch abbaubar, wodurch es den Zellen ermöglicht, das Material graduell durch neu geformtes Gewebe zu ersetzen.“
Das Gel löst die Probleme, die bei Standard-Nährmedien, wo die Zellen auf 2D-Art inkubiert werden, auftreten. Nachfolgend kann das Hydrogel, das die lebenden Zellen enthält, direkt in den NanoOne Bio – einen von UpNano entwickelten hoch präzisen 2Photonen 3D-Drucker – eingebracht werden. Umfangreiche Untersuchungen zeigten, dass der 780 nm Rotlicht-Laser des NanoOne Bio die lebenden Zellen nicht schädigt, auch nicht bei der außergewöhnlich hohen Laserstärke, die alle NanoOne-Drucker verwenden.
Tatsächlich ermöglicht die Verwendung einer so hohen Laserstärke, die in UpNanos 2-Photon 3D-Drucksystemen einzigartig ist, den Einsatz von Optiken, die die schnelle Produktion von cm-großen Strukturen mit außergewöhnlich hoher Präzision bis hin in den Nanobereich erlauben.
Neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung & Entwicklung
Die Kombination des X Hydrobio INX© U200 mit dem NanoOne Bio eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten in der biomedizinischen Forschung & Entwicklung, sowohl für den industriellen als auch für den akademischen Bereich. Prof. James J. Yoo vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (USA) hat dieses enorme Potenzial erkannt und sich entschieden, UpNano für zukünftige Entwicklungen zu beraten. Der renommierte Experte für Gewebe-Engineering und Biofabrikation tritt mit April 2021 in den Beirat des Unternehmens ein und wird die kontinuierliche Weiterentwicklung von neuen Anwendungen für die biomedizinische F&E begleiten.
Die Produktion von „Labs-on-Chip“ wird nun nicht nur mit einer beispiellosen Präzision, sondern auch direkt mit lebenden Zellen möglich – was dadurch einerseits Zeit spart und andererseits die Aussagekraft der Ergebnisse verbessert. Oberflächenstrukturen, die natürlichen Geweben ähneln (biomimetische Strukturen), können nun in der Weise geschaffen werden, dass sie eine nahezu natürliche Interaktion zwischen den lebenden Zellen und ihrer Wachstumsumgebung ermöglichen.
„Zellen, die auf einer 2D-Kulturplatte in einem Standard-Nährmedium wachsen, sind weit entfernt von ihrer natürlichen physischen Umgebung und unterliegen einem Mangel an Interaktion mit den umgebenden Zellen, der bei lebenden Zellen unter natürlichen Bedingungen in alle Richtungen hin stattfindet“, erklärt Denise Mandt, Head of Marketing und Business Development sowie Co-Gründerin von UpNano. Aus der biomedizinischen F&E ist bekannt, dass ein fehlender 3D-Zell-zu-Zell-Kontakt einen negativen Einfluss auf die Interpretation von Ergebnissen aus Zellmodellen für humane Anwendungen hat.
Der NanoOne Bio wird in Kombination mit dem neu entwickelten X Hydrobio INX© U200-Kit diesen Ansatz signifikant verändern. Pharmazeutische Unternehmen und Forschungseinrichtungen werden in der Lage sein, Zellmodelle zu entwickeln, die den natürlichen Wachstumsbedingungen im menschlichen Körper ähneln.
Tatsächlich erlaubt der NanoOne Bio die Erzeugung von Oberflächenstrukturen mit höchster Präzision und/oder die Entwicklung von komplexen 3D-Gerüsten im cm-Bereich, die eingebettete Zellen enthalten.
Dank des speziellen optischen Aufbaus, optimierten Scan-Algorithmen und der unternehmenseigenen adaptiven Auflösungstechnologie, bietet das NanoOne-System auch signifikant schnellere Produktionszeiten als andere Systeme – all dies Vorteile, die von Kunden im industriellen und im akademischen Sektor erkannt wurden. Die Erweiterung des Produktangebotes auch für Kunden aus dem biomedizinischen Forschungsbereich ist bereits mit großem Interesse aufgenommen worden.