Russische Weltraumexperimente führen zu einer neuen 3-D-Bioprinting-Technik

186th Knowledge Seekers Workshop - August 24, 2017 (Juni 2019).

Anonim

Dank der Magnetschwebebahnforschung unter Bedingungen der Mikrogravitation haben Wissenschaftler eine neue Technologie für das 3-D-Drucken von biologischem Gewebe entwickelt. In Zukunft wird diese Technologie helfen, strahlungsempfindliche biologische Konstrukte zu erzeugen und beschädigtes Gewebe und menschliche Organe zu reparieren. Die Ergebnisse werden in der Biofabrikation veröffentlicht.

Es gibt viele Methoden des 3-D-Bioprintings. Die meisten von ihnen verwenden ein bestimmtes Schicht-für-Schicht-Gerüst des biologischen Gewebes. Das resultierende Schüttgut wird dann zum Inkubator geschickt, wo die Kultivierung fortgesetzt wird. Es gibt Wege, auf denen biologische Objekte ohne die Verwendung eines mehrschichtigen Ansatzes entwickelt werden, beispielsweise das magnetische Bioprinting, bei dem das Zellmaterial durch Magnetfelder an den gewünschten Ort gelenkt wird. In diesem Fall sollten die Zellen in irgendeiner Weise mit magnetischen Nanopartikeln markiert sein.

Die Forscher von 3-D Bioprinting Solutions haben in Zusammenarbeit mit anderen russischen und ausländischen Wissenschaftlern die neue Methode entwickelt, die es Forschern ermöglicht, 3D-biologische Objekte ohne die Verwendung von Schicht-für-Schicht-Verfahren und magnetischen Markierungen zu erstellen. Diese neue Methode wurde mit dem Beitrag des Gemeinsamen Instituts für Hochtemperaturen der Russischen Akademie der Wissenschaften (JIHT RAS) entwickelt.

"Im Zeitraum von 2010 bis 2017 wurden an Bord des russischen Orbitalsegments der Internationalen Raumstation mit dem Coulomb-Kristall-Experimentalgerät experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Das Hauptelement des Geräts ist ein Elektromagnet, der ein spezielles inhomogenes Magnetfeld erzeugt in dem die Strukturen der diamagnetischen Partikel (sie sind gegen die Richtung des Magnetfelds magnetisiert) unter den Schwerelosigkeitsbedingungen gebildet werden können ", sagt Co-Autor Mikhail Vasiliev, Leiter des Labors für Staubplasmadiagnostik in JIHT RAS.

In ihrer experimentellen Studie beschrieben die JIHT-Forscher, wie sich kleine geladene Teilchen im Magnetfeld einer speziellen Form unter Schwerelosigkeitsbedingungen verhalten, einschließlich der Schwerelosigkeit. Darüber hinaus entwickelten die Wissenschaftler ein mathematisches Modell dieses Prozesses basierend auf den Methoden der Molekulardynamik. Diese Ergebnisse erklären, wie homogene und ausgedehnte dreidimensionale Strukturen erhalten werden, die aus Tausenden von Teilchen bestehen.

Die herkömmlichen Verfahren des magnetischen 3-D-Bioprintings hatten eine Anzahl von Einschränkungen, die mit der Schwerkraft verbunden waren. Um den Einfluss der Gravitationskräfte zu reduzieren, kann man die Leistung von Magneten erhöhen, die das Magnetfeld steuern. Dies wird den Bioprinter jedoch erheblich komplizieren. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Schwerkraft zu reduzieren. Eine Gruppe von Wissenschaftlern von 3-D Bioprinting Solutions nutzte diesen Ansatz. Die neue Methode heißt formative dreidimensionale Biofactory und erzeugt dreidimensionale biologische Strukturen nicht in Schichten sondern sofort von allen Seiten. Die Forscher verwendeten die experimentellen Daten und die Ergebnisse der mathematischen Modellierung, die von den JIHT RAS-Wissenschaftlern erhalten wurden, um die Form solcher Strukturen zu kontrollieren.

"Die Ergebnisse des Coulomb-Kristall-Experiments zur Untersuchung der Bildung räumlich geordneter Strukturen führten zur Entwicklung einer neuen Methode für die formative 3-D-Biofunktion der gewebeähnlichen Strukturen, die auf der programmierbaren Selbstorganisation der Lebewesen basiert Gewebe und Organe unter den Bedingungen der Schwerkraft und Schwerelosigkeit durch ein inhomogenes Magnetfeld ", sagte der Autor.

Bioprinter, die auf der Anwendung der neuen Technologie basieren, werden in der Lage sein, verschiedene biologische Konstrukte zu erstellen, die zum Beispiel verwendet werden können, um die negativen Auswirkungen der Weltraumstrahlung auf die Gesundheit von Astronauten bei Langzeit-Weltraummissionen abzuschätzen. Darüber hinaus wird diese Technologie in der Lage sein, die Funktion der beschädigten Gewebe und Organe in der Zukunft wiederherzustellen.

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