3D-biotulostettavan verisuonimallin kehittäminen

Abstract

3D-biotulostus tarjoaa mahdollisuuksia kehittää kudosmalleja, jotka vastaavat tarkemmin todellisia kudoksia, kuin perinteiset kaksiulotteiset soluviljelymallit. Näitä malleja voitaisiin käyttää esimerkiksi solujen tutkimuksessa ja yksilöllistetyssä lääketieteessä. Verisuonet ovat tärkeä osa lähes kaikkien kudosten toimintaa ja toimivien suonien tulostus on tärkeä askel pyrkimyksessä suurten kudospalojen ja kokonaisten elinten tulostusta. Biotulostetuilla veri- ja imusuonilla voi olla edessään tulevaisuus myös sydän- ja verisuonitautien hoidossa käytettävinä siirteinä. Tässä työssä tutkittiin verisuonirakenteen tulostamista ekstruusioperiaatteella Brinter oy:n kehittämällä triaksiaalityökalulla. Triaksiaalityökalun avulla voitiin tulostaa 2-3 eri materiaalia samanaikaisesti sisäkkäisinä putkina. Materiaaleina työssä käytettiin UV-kovetettavaa silikonia, lämpöreversiibelisti käyttäytyvää poloksameeria ja tyypin I telokollageenia. UV-silikoni on helposti käsiteltävä materiaali, jota voidaan käyttää työkalujen testauksessa. Poloksameeria käytetään uhrimateriaalina, joka voidaan poistaa tulostuksen jälkeen. Kollageeni on hankalasti tulostettava, mutta biotulostuksessa erittäin mielenkiintoinen materiaali suuren bioyhdenmukaisuutensa ansiosta. Lisäksi valmistettiin elintarvikegelatiinista pilkottua tukigeeliä, jonka sisälle juoksevaa kollageenia voitaisiin tulostaa. Työssä näytettiin, että triaksiaalityökalun avulla pystytään tulostamaan ulkohalkaisijaltaan noin 1,5 mm kokoisia silikonisuonia, joiden läpi voidaan kuljettaa nestettä. Suonia pystyttiin tulostamaan sekä tasolle, että kolmiulotteiseen avaruuteen epäsäännöllisten kappaleiden päälle. Kollageeni onnistuttiin kovettamaan pH-neutraloivan tukigeelin ja lämpötilan säätelyn avulla. Eläviä soluja sisältävästä kollageenibiomusteesta tulostettiin 5 mm pituisia putkia ruuvipuristustyökalun avulla.

3D bioprinting offers possibilities to develop tissue models that are more representative of real tissues than conventional 2D cell cultures. These models could have potential in tissue research, personalized cancer diagnostics and even regenerative medicine. In order to someday print larger functional tissues or organs vascularization is one critical aspect that has to be mastered. In this work the 3D printing of vessel structures was studied using extrusion printing methods. The main tool was a triaxial tool developed by Turku, Finland based company Brinter Ltd. The triaxial tool enables the simultaneous printing of 2-3 different materials from concentric channels. Materials used were UV-curable silicone, thermoreversible poloxamer and type I telocollagen. UV-silicone is an easily printable material well suited for testing. Poloxamer was used as a sacrificial material to create hollow structures. Collagen is a highly biocompatible material with great potential for bioprinting but a demanding curing process. Food-grade gelatin was also used to create a support slurry for embedded printing of collagen. Silicone vessels of various lengths and an outside diameter of 1,5 mm were printed using the triaxial tool. These vessels were able to transfer liquid and could be printed on the print platform and on top of curved models. Using a pH neutralizing gelatin slurry and temperature the gelatin could be cured. A collagen based bioink containing living cells was successfully printed using a screw driven extrusion tool to create 5 mm long tubes.