Advancing Cardiac Tissue Engineering: Melt Electrowriting Conductive Polymer-Hydrogel Scaffolds

Stel je je hart voor als een bruisende stad waar miljoenen piepkleine werkers (cellen) de lichten aan de gang houden door in een perfect ritme te kloppen. Soms slaat een ramp toe—een "hartaanval"—en wordt een hele buurt van deze werkers weggevaagd, waardoor er een litteken achterblijft dat niet meer weet hoe het mee moet dansen op de beat. Wetenschappers proberen een vervangende buurt te bouwen, een "weefselpleister", om die leegte op te vullen. Maar het bouwen van een hartpleister is lastig. Het gaat niet alleen om het hebben van de juiste bakstenen; de bakstenen moeten in een specifiek patroon worden gerangschikt (zoals een raster), zodat het hart kan rekken en knijpen, en ze moeten elektriciteit geleiden zodat het signaal om te kloppen over de hele pleister kan reizen. Als de pleister te stijf is, beweegt hij niet mee met het hart; als hij geen elektriciteit kan geleiden, raakt het signaal kwijt. De grote vraag is: hoe bouw je een steiger die tegelijkertijd sterk, rekbaar en elektrisch levend is?

Dit artikel duikt in dat exacte puzzelstukje, gebruikmakend van een hoogtechnologische 3D-printtruc genaamd "melt electrowriting" (MEW). Denk aan MEW als een superprecieus lijmpistool dat minuscule, perfect uitgelijnde draden tekent om een ruitvormig netwerk van 20 lagen te bouwen. De onderzoekers begonnen met een plastic genaamd polycaprolacton (PCL) om het skelet van dit netwerk te maken. Hun eerste idee was om geleidende materialen—zoals polypyrrool (PPy), polyaniline of grafeenoxide—direct in het plastic te mengen vóór het printen, in de hoop de hele draad geleidend te maken. Maar dat werkte niet; het mengen van deze ingrediënten maakte de "lijm" te rommelig om met precisie te printen, en de resulterende draden waren niet geleidend genoeg om de klus te klaren.

Dus probeerde het team een andere aanpak: het beschilderen van de afgewerkte, perfect geprinte draden met geleidende coatings. Ze testten twee methoden: het besproeien van de draden met een dunne laag goud (goud sputter coating) en het laten groeien van een laag PPy direct op de draden. Beide methoden maakten de steigers succesvol geleidend zonder de delicate draadstructuur te verpesten. Echter, toen ze menselijke hartcellen (hiPSC-CM's) op deze steigers plantten binnen een gelei-achtige hydrogel, waren de resultaten zeer verschillend. De met goud beklede steigers waren de winnaars; de cellen op deze structuren begonnen samen te kloppen in een sterk, gesynchroniseerd ritme, net als een echt hart. De met PPy beklede steigers waren daarentegen een mislukking. Hoewel ze geleidend waren, maakte de coating de structuur te stijf en rigide, wat de cellen fysiek belemmerde in hun beweging en contractie.

De onderzoekers controleerden ook de "dagboeken" (genexpressie) van de cellen om te zien of de elektriciteit alleen al de cellen hielp om volwassen te worden en te rijpen. Ze ontdekten dat het louter hebben van een hoge elektrische geleidbaarheid niet genoeg was om deze rijping aan te drijven. Het artikel suggereert dat het geheim van een succesvolle hartpleister niet alleen het toevoegen van elektriciteit is; het gaat om het vinden van de perfecte balans tussen de mechanische flexibiliteit en de elektrische eigenschappen van de pleister. Als de pleister te stijf is, kunnen de cellen hun werk niet doen, ongeacht hoe goed de elektriciteit wordt geleid. Deze studie biedt een duidelijke richtlijn voor toekomstige hartpleisters: je moet de mechanica en de architectuur samen ontwerpen, en ze als een team behandelen in plaats van als afzonderlijke problemen.