3D-Printet Hud: Et lovende alternativ til dyreforsøg i kosmetik

De fleste mennesker overvejer aldrig den mængde forskning og testning, der ligger bag hverdagsprodukter som kosmetik. Fra at forske i og udvikle nye nuancer og farver til sikkerhedstestning er kosmetikindustrien en topmoderne sektor, der benytter en række metoder for at sikre, at produkterne er sikre. Sådan forsøger et hold af ingeniører at reducere dyreforsøg på markedet ved at introducere 3D-printet levende hud.

Hvorfor dyreforsøg stadig anvendes i kosmetikindustrien

Tidligere var dyreforsøg den primære metode, som kosmetik- eller medicinforskere kunne bruge til at teste deres produkter på levende væsener. I de tidlige dage bestod disse tests blot i at påføre produktet på dyret og overvåge adfærden.

Over det sidste århundrede har dyreforsøg fået en dramatisk stigning i kapaciteter. Forskere kan dyrke menneskelige organer og andre vigtige kropsdele på andre levende væsener for at forbedre testnøjagtigheden.

Derudover muliggør avanceret computermodellering simulationsprøver. Denne tilgang er billigere, hurtigere og mere præcis end dyreforsøg i de fleste scenarier. På trods af disse fremskridt er der dog stadig mange kosmetik- og medicinalvirksomheder, der er afhængige af dyreforsøg på deres produkter.

De etiske og videnskabelige problemer ved dyreforsøg

Der er nogle indlysende etiske problemer ved dyreforsøg. For det første har der været en lang historie med mishandling og grusomhed over for disse forsøgsdyr. Disse bekymringer nåede et højdepunkt i 2010.
Det var da EU indførte en række restriktioner på dyreforsøg med det overordnede mål at udfase praksissen i de kommende år. Heldigvis kan et hold af innovative ingeniører have fundet en levedygtig løsning.

Hvordan 3D-printet hud kan erstatte dyreforsøg i laboratorier

Undersøgelsen “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹ dykker ned i en ny 3D-printmetode, der kombinerer tilpasset blæk med proprietær printteknologi for at skabe levende efterligningshud.
Denne kunstigt dyrkede hud vil i fremtiden give ingeniører mulighed for at udføre in vitro-tests, såsom måling af absorption og toksicitet af nanopartikler fra kosmetik og medicin, uden at bruge dyreforsøg.

Brug af 3D-scaffolds til at dyrke menneskelige hudceller til testning

Forskere fra Graz University of Technology (TU Graz) og Vellore Institute of Technology (VIT) i Indien anvender en proprietær 3D-printer og komponenter til at skabe porøse scaffolds lavet af nanocellulose-materialer. Disse 3D-scaffolds er nu en kritisk komponent i testindustrien.

Hvad der gør 3D-printet hud til en levedygtig testplatform

3D-scaffolding har nogle klare fordele i forhold til alternativer, når man diskuterer dyreforsøg. For det første bliver ingen dyr såret. Derudover kan den nøjagtigt efterligne den ekstracellulære matrix (ECM). Denne evne gør det muligt for ingeniører at dyrke en række celler, som modnes, som om de var inde i kroppen, hvilket gør det muligt at teste deres produkter og behandlinger effektivt.

I modsætning til andre cellevækstmetoder giver 3D-scaffolding strukturel støtte og tilpasning. For eksempel kan ingeniører inden for 3D-scaffolding tilpasse porestrukturer, biokompatibilitet og andre vigtige detaljer såsom evnen til at understøtte pattedyrcelles vedhæftning og proliferation.

Teamet besluttede at bruge plantebaserede ressourcer som en del af deres tilgang. De vidste, at de ønskede at opnå høj mekanisk styrke og en omfattende overflade på nanoskalering. Efter omfattende forskning fastslog de, at kombinationen af nanofibrilleret cellulose (NFC), carboxymethyl cellulose (CMC) og citronsyre (CA) ville give den ønskede synergistiske tilgang.

3D-printer og værktøjer brugt til at skabe syntetiske hud-scaffolds

Specifikt valgte teamet en BioScaffolder 3.1 3D-printer med en tilpasset printdyse. Ingeniørerne programmerede derefter vigtige detaljer som tryk og trådadstand ved hjælp af GeSiM Robotics BS3.1/3.2-software. Denne opsætning havde dispenseringstrykket indstillet til et interval på 220 kPa–260 kPa med en trådadstand på 500 μm–900 μm og en trådhøjde på 0,2 mm.

Forskeren valgte en udskrivningshastighed på 15 mm/s og en Z-offset på 0,0 mm. Denne strategi fungerede godt med hydrogelens høje vandindhold. Det høje vandindhold skaber også et ideelt miljø for cellevækst, men det komplicerer udskrivningen.

For at bekæmpe den ekstra hydrering skabte ingeniørerne en cellulose-derivat med carboxylgrupper. Denne kemikalie forbedrede vandretention og vedhæftning. Den forbedrede også vandretention, krydsbinding, interfacial vedhæftning og ionisk krydsbindingskapacitet, hvilket gør den til et ideelt tilsætningsstof til vævsteknologikonstruktioner. Bemærkelsesværdigt fungerer citronsyre som en naturlig krydsbinder og covalent bindingsforstærker, der hjælper med at stabilisere scaffold-strukturen, mens biokompatibiliteten bevares.

Frysetørringsproces for stabilisering af 3D-printede scaffolds

Frysetørring var en anden metode, der blev brugt til at fjerne uønsket hydrering i hydrogellet. Metoden er ideel, fordi den fjerner overskydende vand, mens den porøse struktur forbliver intakt. Det pludselige temperaturfald øger også krydsbindingen af carboxyl- og hydroxylgrupper.

Nanocellulose-baseret bio-blæk: Sammensætning og rolle i bioprintning

En del af den nye 3D-printmetode bygger på brugen af nanocellulose-blæk. Dette blæk kombinerer nanofibrilleret cellulose (NFC), carboxymethyl cellulose (CMC) og citronsyre (CA). Citronsyren fungerer som en endelig bindemiddel i opløsningen. Bemærkelsesværdigt har ingeniørerne skabt fire blækvaryationer til testning.

Hvordan 3D-printede scaffolds efterligner ægte menneskelig hud

Den 3D-printede struktur lavet af optimeret hydrogel delte mange ligheder med menneskelig hud. For eksempel havde den den samme tredelte struktur og levende celletype. Imidlertid kan den initielle hud skabes til at efterligne en bred vifte af hudtyper og lidelser med levende celler. Den har også samme biomekanik som menneskelig hud.

Hydrogeler i vævsteknologi: Støtte til cellevækst

Teamet startede med at skabe en speciel hydrogel, der kan interagere med og fremme levende cellevækst. Teamet testede flere blandinger, indtil de fandt en, der viste forbedret mekanisk stabilitet og modstand mod hydrolytisk nedbrydning.

Bioprintning af levende celler til kosmetisk og medicinsk testning

Ingeniørerne bemærkede, at 3D-printning af levende celler kunne vokse, modnes og overleve i hydrogelopløsningen i 3 uger, mens de udviklede levende hudvæv. Teamet opnåede levende cellevækst ved hjælp af krydsbindingsmetoder til stabilisering. Bemærkelsesværdigt var der ingen behov for at anvende farlige cytotoksiske kemikalier. Derudover blev efterbehandlingsopgaverne reduceret.

Hvordan scaffolds neutraliseres for sikker cellekultur

Ingeniørerne tog 3D-scaffoldet, belagde det med natriumhydroxid og skyllede det derefter grundigt. Dette trin var afgørende for at sikre, at al resterende alkalisk stof blev fjernet. Trinnet kræver også en 60-minutters iblødsætning for at sikre fuld neutralitet.

Test af levedygtigheden af 3D-printede hudstrukturer

Ingeniørerne udførte flere tests for at sikre, at de celler, de printede, modnede og var nøjagtige. Teamet undersøgte cellevækst og modenhed som det første skridt. Specifikt ønskede de at fastslå, om cellerne var præcis som dem, der findes i kroppen, eller om der var detaljerede forskelle, der ville gøre brugen af dem til testning overflødig.

Mekanisk stabilitet og biokompatibilitet af 3D-printet hud

Testene viste, at strukturen er robust og ekstremt stabil, takket være den proprietære hydrogel, der blev brugt. De vigtigste konklusioner af den nye printmetode er, at de krydsbundne materialer er ikke-cytotoksiske og mekanisk stabile.
Derudover blev det fastslået, at lavere temperaturer og kortere eller længere krydsbindingstider påvirker krydsbindingsprocessen. TU Graz-forskere bemærkede, at de kunne reducere krydsbindingshastigheden for at opnå ændringer i scaffoldets fysikokemiske egenskaber.

Fordele ved 3D-printet hud i reduktion af dyreforsøg

Der er flere fordele, som denne undersøgelse bringer til markedet. For det første er det let at forestille sig, at dyreforsøg bliver overflødige. Der er ingen grund til at teste på dyr, når en mere overkommelig og effektiv metode findes. Derudover bør disse data hjælpe virksomheder med at overgå fra dyreforsøg til brug af laboratoriedyrkede 3D-printede levende celler.

Hvornår vil 3D-printet hud blive brugt i kosmetisk testning?

Der er mange anvendelser af denne teknologi, som kan hjælpe med at redde både menneskelige og dyre liv. Den åbenlyse anvendelse af denne teknologi er inden for kosmetisk og medicinsk testning. Brug af 3D-printet hud vil gøre dyreforsøg til en mindre attraktiv mulighed i fremtiden.
Denne tilpasselige hud kan fremstilles til at efterligne en bred vifte af menneskelige hudtyper og -områder. Som sådan vil den give den ideelle testløsning for forskere, der ønsker at overvåge deres produkters påvirkning på kroppen. På denne måde giver dataene et indblik i rammerne for udvikling af alsidige og bæredygtige biomaterialer til regenerativ medicin.

Bioprintning i rummet: Fremtidige anvendelser for menneskers sundhed

En anden anvendelse af disse avancerede projekter for menneskelig cellevækst er at hjælpe med at udvide rækkevidden for interstellare opdagelsesrejsende. I fremtiden vil rumforskning kræve, at mennesker rejser fra Jorden og sandsynligvis aldrig vender tilbage.

Som en del af deres overlevelsesstrategi vil de skulle kunne levere tilstrækkelig sundhedspleje millioner af miles fra hjemmet. Brug af en 3D-printer betragtes som den bedste løsning på dette problem. Fremtidens astronauter kunne stole på 3D-printede organer, hud og andre kropskomponenter for at overleve, indtil de kan fuldføre deres mission.

Brugen af 3D-printet hud til testning kan begynde inden for de næste 3-5 år, da der er stor efterspørgsel efter denne teknologi. Målet om at printe komplette organer er dog stadig 10-20 år ude, da både videnskabelige, medicinske og juridiske aspekter af teknologien skal tilpasses.

Forskerne bag gennembruddet med 3D-printet hud

Denne undersøgelse blev ledet af et hold af innovative forskere fra Graz University of Technology (TU Graz) og Vellore Institute of Technology (VIT) i Indien. Artiklen nævner specifikt Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin og Stana Kleinschek som bidragende til arbejdet.

Hvad er næste skridt for 3D-printet hud i medicinsk og kosmetisk testning

Nu vil teamet fokusere på at optimere deres hydrogel- og blækkonstruktion for at gøre den hurtigere, mere pålidelig og overkommelig. De vil også afprøve forskellige blandinger og tilgange for at finde den optimale balance mellem omkostninger, udskrivningsmuligheder, strukturel integritet og biologisk ydeevne.

Et offentligt selskab, der fremmer bioprintningsteknologi

Der er flere virksomheder involveret i bioprintningssektoren. Disse firmaer har en række opgaver, fra at tilbyde support i form af software til udvikling af avancerede 3D-printlayout, til hardware- og printerproducenter. Hver af disse virksomheder spiller en vigtig rolle på markedet. Her er et firma, der forventes at forblive en topperformer i den nærmeste fremtid.

3D Systems

Få virksomheder har den indflydelse og omdømme i bioprintningssektoren som 3D Systems (DDD ). Dette firma skiftede først mod bioprintningssektoren i 2017 efter at have indgået et samarbejde med en anden markedsleder, United Therapeutics (UTHR ). Siden da har det haft en kritisk rolle i at levere vigtige komponenter til markedet, herunder bioink og andet hardware.
I dag spiller 3D Systems en afgørende rolle i lægemiddelforskning og forskningssektoren. Det betragtes som en af de største rene 3D-printvirksomheder målt på omsætning og markedsværdi. Derudover fortsætter virksomheden med at foretage opkøb for at styrke sin markedsposition. Specifikt har den erhvervet bioprintningsfirmaet Allevi, hvilket udvider dens tekniske kapaciteter.

De, der søger en pålidelig og dokumenteret bioprintningsaktie, bør foretage yderligere research om 3D Systems. Virksomheden har opnået et ry som innovatør og har et stort netværk af partnere og investorer, der støtter deres forskning, herunder virksomhedens mål om en dag at dyrke komplette menneskelige organer. Selvom dette mål stadig kan være flere år ude, vil denne forskning uden tvivl hjælpe med at fremskynde processen.

Seneste nyt om 3D Systems

3D-printet levende hud – Helbred møder teknologi

Man må rose TU Graz og Vellore Institute of Technology i Indien for at have udviklet deres 3D-printede hud. Denne forbedrede metode kan hjælpe med at indlede en æra med nul dyreforsøg og mere effektive lægemidler. Indtil videre bør denne undersøgelse ses som et håbets stråle for dyreaktivister, medicinske fagfolk og hele kosmetikindustrien.

Lær om andre spændende biotek-nyheder her.

Studier refereret:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). Protokol for fremstilling af selvstøttende (nano)cellulose-baserede 3D-scaffolds til vævsteknologi. STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}