Legoblokjes hebben gestandaardiseerde onderdelen en zijn overal ter wereld te vinden. Universiteit van Cardiff, Auteur voorzien
Het verkrijgen van menselijke weefselmonsters voor biologisch onderzoek is niet altijd gemakkelijk. Hoewel ze ethisch gezien worden verkregen via orgaandonatie of uit weefsel dat wordt verwijderd tijdens chirurgische ingrepen, vinden wetenschappers ze steeds moeilijker te verkrijgen.
En dat is niet alleen omdat er een beperkte voorraad menselijk weefsel is. Er is ook een beperkte beschikbaarheid van de specifieke grootte en het type weefselmonsters die nodig zijn voor de vele projecten die op een bepaald moment plaatsvinden. Daarom besloten we dit probleem aan te pakken door onze eigen goedkope, gemakkelijk toegankelijke printer te bouwen die monsters van menselijk weefsel kan maken met een van ’s werelds populairste speelgoed.
De opkomst van 3D bioprinting biedt een potentiële oplossing voor het probleem van het verkrijgen van weefselmonsters. Bij deze technologie wordt “bio-inkt”, dat levende cellen bevat, in een cartridge geladen. Die wordt vervolgens in de bioprinter geladen. Na programmering drukt de bioprinter de met cellen geladen bio-inkt af om 3D-structuren te vormen die de complexe vorming van biologisch weefsel moeten nabootsen.
In tegenstelling tot tweedimensionale celculturen op platen, waarop de meesten van ons nog steeds vertrouwen voor grote delen van ons onderzoek, stellen bioprinters wetenschappers in staat cellen te kweken in drie dimensies. En dat repliceert beter de ingewikkelde architectuur van de menselijke biologie. Met andere woorden, bioprinting-technologie stelt onderzoekers in staat meer vergelijkbare modellen te maken voor het bestuderen van gezond en ziek weefsel.
Het probleem is dat de kosten van deze machines schrikbarend hoog zijn, namelijk tienduizenden of zelfs honderdduizenden ponden. Weinig onderzoeksteams, waaronder het onze, kunnen hun budgetten oprekken om dat soort uitgaven te dekken, hoe baanbrekend de technologie ook belooft te zijn.
Daarom vroegen we ons af of we onze eigen betaalbare 3D-bioprinter konden bouwen. Het antwoord was “ja” en we besloten dat te doen met Lego.
Bored Photography/Shutterstock
Iedereen die er ooit mee geknutseld heeft, weet dat Lego niet alleen extreem goedkoop en veelzijdig is, maar ook zeer nauwkeurig wordt gemaakt met gestandaardiseerde onderdelen die wereldwijd toegankelijk zijn.
We wisten ook dat Lego al was gebruikt om traditionele 3D-printers te maken. Maar wat onzeker bleef was of we het basisidee van een Lego 3D-printer – die vaste 3D-structuren uit plastic print – konden gebruiken om er een te ontwikkelen die zacht biologisch materiaal kon printen.
De output zou nauwkeurig, betrouwbaar en stabiel moeten zijn om van enig nut te zijn in ons lab.
In een hoekje van ons laboratorium in Cardiff gingen we aan de slag met onze eigen betaalbare, hoogwaardige bioprinter, met behulp van standaard Lego-blokjes, hun mechanische submerk Lego Mindstorms en een laboratoriumpomp, een apparaat dat vaak in onderzoekslaboratoria wordt gebruikt. Een multidisciplinair team van ingenieurs en biologen werkte samen om onze bioprinter te ontwerpen, te bouwen en te programmeren.
De 3D bioprinter is gebouwd van Lego en Lego Mindstorms.
Cardiff Universiteit, Auteur voorzien
Onze bioprinter, die 500 pond kostte om te bouwen, staat nog in de kinderschoenen en bereikt de vereiste precisie om delicaat biologisch materiaal te produceren. De manier waarop dit gebeurt is opmerkelijk eenvoudig.
Een mondstuk spuit een gelachtige substantie, vol met cellen, op een schaal. Het hart van het apparaat is een mini Lego Mindstorms computer. Dit apparaat beweegt de schaal heen en weer en van links naar rechts terwijl het de spuitmond mechanisch op en neer beweegt terwijl het de gel vol cellen uitwerpt. Deze programmeerbare bewegingen bouwen lagen van de cellen op om de 3D-structuur van menselijk weefsel na te bootsen, laag voor laag.
Onze bioprinter wordt nu gebruikt om lagen huidcellen te maken, en werkt zo toe naar een huidmodel op ware grootte. Hij kan ook worden aangepast door verschillende soorten spuitmondjes te gebruiken om verschillende soorten cellen te printen, waardoor een verscheidenheid aan complexiteiten in de weefselmonsters wordt ingebouwd. Het is een spannende mogelijkheid om zowel gezonde als zieke huid na te bootsen, bestaande behandelingen te bekijken en nieuwe therapieën te ontwerpen voor de behandeling van verschillende huidziekten.
De toekomst
Onze bioprinter zou ons niet alleen een nauwkeurig representatief model van de menselijke huid kunnen verschaffen, hij zou ook kunnen worden gebruikt om zieke cellen toe te voegen aan de gezonde modellen die wij produceren. Zo kunnen we bestuderen hoe huidaandoeningen zich ontwikkelen en hoe gezonde en zieke cellen op elkaar inwerken. Ook zouden we zo kunnen zien hoe huidziekten zich ontwikkelen en hoe mogelijke behandelingen kunnen worden ontwikkeld.
Het printen van synthetische menselijke huid met een Lego 3D bioprinter.
We hebben details verstrekt over hoe we onze Lego 3D bioprinter hebben gebouwd, met duidelijke instructies over hoe dit apparaat in elk lab, waar ook ter wereld, kan worden nagebouwd. In een tijd waarin de financiering van onderzoek zo krap is, bieden wij een open source, toegankelijk en betaalbaar alternatief voor een essentieel onderdeel van de apparatuur dat buiten het budget van de meeste onderzoekers valt.
Heel eenvoudig, we willen dat onze Lego bioprinter onderzoekers in staat stelt baanbrekend onderzoek te doen omdat dat uiteindelijk zal leiden tot een beter begrip van de biologie en een verdere verbetering van de menselijke gezondheid.
Dit werk werd gefinancierd door de British Skin Foundation. Het artikel is opgesteld met Jo Blankley (Cardiff University).
Dit werk werd gefinancierd door de British Skin Foundation.