Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Ärzte lebendes Gewebe drucken können, um beschädigte Organe zu reparieren oder verlorene Haut zu ersetzen. Diese Vision beruht auf einer Technik namens Bioprinting, bei der Wissenschaftler spezialisierte Maschinen verwenden, um winzige Ströme von Flüssigkeit auszupressen, die lebende Zellen enthalten, gemischt mit einem stützenden Gel. Das Ziel ist es, Strukturen aufzubauen, die die komplexen Gewebe des menschlichen Körpers nachahmen. Der Prozess des Auspressens dieser Mischung durch eine schmale Düse erzeugt jedoch eine starke physikalische Kraft, die als Scherspannung bekannt ist. Stellen Sie sich diese Kraft wie den Druck vor, den man spürt, wenn man eine Zahnpastatube ausdrückt; je schneller und fester man drückt, desto mehr werden der Inhalt an den Wänden der Tube gerieben und gedehnt. Für lebende Zellen, die zart und zerbrechlich sind, kann dieses Reiben schädlich sein und potenziell dazu führen, dass sie sterben oder ihre Fähigkeit beeinträchtigt wird, sobald die Struktur aufgebaut ist. Genau zu verstehen, wie viel Kraft diese Zellen überleben können, ist entscheidend, wenn Wissenschaftler hoffen, zuverlässige, lebende Gewebe zu erschaffen.

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, zu messen und vorherzusagen, wie sich diese Druckkraft auf zwei verschiedene Arten menschlicher Zellen auswirkt, die zusammenarbeiten: Blutgefäßzellen und Brustgewebezellen. Um dies zu erreichen, haben sie nicht einfach die Zellen gedruckt und gehofft, dass alles gut geht. Stattdessen bauten sie ein vollständiges System auf, um zu beobachten, zu berechnen und zu testen, was im Inneren des Druckers passiert. Zuerst untersuchten sie die dicke, geleeartige Substanz, die verwendet wird, um die Zellen zu halten, bekannt als Gelatinemethacryloyl. Sie testeten dieses Material bei zwei verschiedenen Konzentrationen und Temperaturen, um zu sehen, wie es fließt. Sie fanden heraus, dass das Verhalten des Materials durch mathematische Modelle beschrieben werden konnte, die vorhersagen, wie sich dicke Flüssigkeiten bewegen, was es ihnen ermöglichte, den Druckprozess auf einem Computer zu simulieren, noch bevor sie jemals eine echte Zelle berührten.

Um sicherzustellen, dass ihre Computersimulationen genau waren, verwendeten die Forscher eine Hochgeschwindigkeitskamera, um winzige Partikel zu beobachten, die sich innerhalb des fließenden Gels bewegten, wodurch sie bestätigten, dass die digitalen Vorhersagen mit der realen Bewegung übereinstimmten. Mit diesem zuverlässigen Modell in der Hand wandten sie ihre Aufmerksamkeit den Zellen selbst zu. Sie druckten eine Mischung der beiden Zelltypen in das Gel bei unterschiedlichen Drücken und Konzentrationen. Die Ergebnisse offenbarten eine komplexe Beziehung zwischen den Druckbedingungen und der Zellgesundheit. Wenn die Zellen in ein schwächeres Gel bei einer niedrigeren Temperatur gedruckt wurden, zeigte die unmittelbare Folge einen Anstieg des Zellsterbens. Interessanterweise wies das stärkere Gel im Vergleich zum schwächeren Gel höhere Scherspannungswerte auf, verursachte jedoch nicht denselben unmittelbaren Anstieg sterbender Zellen.

Die Geschichte endete jedoch nicht in dem Moment, als der Druckvorgang stoppte. Die Forscher ließen die gedruckten Strukturen einen Tag lang ruhen, um zu sehen, wie sich die Zellen erholen. Sie entdeckten, dass selbst geringe Belastungen durch den Druckprozess eine verzögerte Wirkung hatten. Als der während des Druckens verwendete Druck zunahm, wuchs die Anzahl der sterbenden Zellen nach nur einem Tag der Kultivierung. Dies deutet darauf hin, dass die Zellen gegenüber den physikalischen Kräften des Druckprozesses in einer Weise empfindlich sind, die nicht sofort offensichtlich ist. Die Studie bietet eine solide Methode, um diese Effekte vorherzusagen, und zeigt, dass Wissenschaftler durch die Kombination von Computermodellierung mit sorgfältiger Beobachtung besser verstehen können, welche verborgenen Kräfte die Zukunft des Drucks von lebendem Gewebe prägen.