3D‑printet hud: Et lovende alternativ til dyreforsøk i kosmetikk

De fleste tenker aldri på hvor mye forskning og testing som går inn i hverdagsprodukter som kosmetikk. Fra å forske på og utvikle nye nyanser og farger, helt til sikkerhetstesting, er kosmetikkindustrien en toppmoderne sektor som bruker en rekke metoder for å sikre at produktene er trygge. Slik prøver et team av ingeniører å redusere dyreforsøk i markedet ved å introdusere 3D‑printet levende hud.

Hvorfor dyreforsøk fortsatt brukes i kosmetikkindustrien

Tidligere var dyreforsøk den primære metoden kosmetikk- eller medisinforskere kunne bruke for å teste produktene sine på levende skapninger. I de tidlige årene var disse testene så enkle som å påføre produktet på dyret og observere oppførselen.

I løpet av det siste århundret har dyreforsøk opplevd en dramatisk økning i kapasitet. Forskere kan dyrke menneskelige organer og andre essensielle kroppsdeler på andre levende skapninger for å forbedre testnøyaktigheten.

I tillegg gjør avansert datamodellering det mulig å utføre simulerings‑tester. Denne tilnærmingen er rimeligere, raskere og mer nøyaktig enn dyreforsøk i de fleste scenarioer. Likevel, til tross for disse fremskrittene, er det fortsatt mange kosmetikk‑ og medisinfirmaer som er avhengige av dyreforsøk på produktene sine.

De etiske og vitenskapelige problemene med dyreforsøk

Det finnes åpenbare etiske problemer med dyreforsøk. For det første har det vært en lang historie med mishandling og grusomhet mot disse testsubjektene. Disse bekymringene nådde et kritisk punkt i 2010.
Det var da EU innførte en rekke restriksjoner på dyreforsøk med det overordnede målet å fase ut praksisen i de kommende årene. Heldigvis kan et team av innovative ingeniører ha kommet opp med en levedyktig løsning.

Hvordan 3D‑printet hud kan erstatte dyreforsøk i laboratorier

Studien “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹ utforsker en ny 3D‑printemetode som kombinerer tilpasset blekk med proprietær utskriftsteknologi for å lage levende etterlignende hud. Dette kunstig dyrkede hudlaget vil i fremtiden gjøre det mulig for ingeniører å utføre in‑vitro‑tester, som å måle absorpsjon og toksisitet av nanopartikler fra kosmetikk og medisiner, uten å bruke noen dyreforsøk.

Bruk av 3D‑skjeletter for å dyrke menneskelige hudceller til testing

Forskere fra Graz University of Technology (TU Graz) og Vellore Institute of Technology (VIT) i India bruker en proprietær 3D‑printer og komponenter for å lage porøse skjeletter laget av nanocellulose‑materialer.  Disse 3D‑skjelettene er nå en kritisk komponent i testindustrien.

Hva som gjør 3D‑printet hud til en levedyktig testplattform

3D‑skjeletter har noen tydelige fordeler sammenlignet med alternativer når man diskuterer dyreforsøk. For det første blir ingen dyr skadet. I tillegg kan de nøyaktig etterligne den ekstracellulære matrisen (ECM). Denne evnen gjør det mulig for ingeniører å dyrke en rekke celler som vil modnes som om de var inne i kroppen, og dermed teste produktene og behandlingene sine effektivt.

I motsetning til andre cellevekstmetoder gir 3D‑skjeletter strukturell støtte og tilpasningsmuligheter. For eksempel kan ingeniører tilpasse porestrukturer, biokompatibilitet og andre viktige detaljer som evnen til å støtte tilheftning og proliferasjon av pattedyrceller.

Teamet bestemte seg for å bruke plantebaserte ressurser som en del av tilnærmingen. De visste at de ønsket høy mekanisk styrke og et omfattende overflateareal på nanoskalering. Etter omfattende forskning konkluderte de med at kombinasjonen av nanofibrillert cellulose (NFC), karboksymetylcellulose (CMC) og sitronsyre (CA) ville gi den ønskede synergistiske tilnærmingen.

3D‑printer og verktøy brukt til å lage syntetiske hudskjeletter

Spesifikt valgte teamet en BioScaffolder 3.1 3D‑printer med en tilpasset utskriftdyse. Ingeniørene programmerte deretter viktige detaljer som trykk og trådadstand ved hjelp av GeSiM Robotics BS3.1/3.2‑programvaren. Denne oppsettet hadde dispensasjonstrykket satt til et område på 220 kPa–260 kPa med en trådadstand på 500 μm–900 μm og en trådhøyde på 0,2 mm.

Forskeren valgte en utskriftshastighet på 15 mm/s og en Z‑offset på 0,0 mm. Denne strategien fungerte bra med hydrogelens høye vanninnhold. Det høye vanninnholdet gir også et ideelt miljø for cellevekst, men det kompliserer utskriften.

For å motvirke den ekstra hydreringen laget ingeniørene en cellulose‑derivat med karboksylgrupper. Dette kjemikaliet forbedret vannretensjon og vedheft. Det forbedret også vannretensjon, kryssbinding, interfasial vedheft og ionisk kryssbindingskapasitet, noe som gjør det til et ideelt tilsetningsstoff for vevsteknologikonstruksjoner. Merk at sitronsyre fungerer som en naturlig kryssbinder og covalent bindingforsterker som bidrar til å stabilisere skjelettstrukturen samtidig som biokompatibiliteten opprettholdes.

Frysetørkningsprosessen for å stabilisere 3D‑printede skjeletter

Frysetørking var en annen metode brukt for å fjerne uønsket hydrering i hydrogelen. Denne metoden er ideell fordi den fjerner overflødig vann samtidig som den porøse strukturen forblir intakt. Det plutselige temperaturfallet øker også kryssbindingen av karboksyl‑ og hydroksylgrupper.

Kilde – Manisha Sonthalia – Vellore Institute of Technology

Nanocellulose‑basert bio‑blekk: Sammensetning og rolle i bioprinting

En del av den nye 3D‑printemetoden er avhengig av bruk av nanocellulose‑blekk. Dette blekket kombinerer nanofibrillert cellulose (NFC), karboksymetylcellulose (CMC) og sitronsyre (CA). Sitronsyren fungerer som en endelig bindemiddel i løsningen. Merk at ingeniørene laget fire blekkvarianter for testing.

Hvordan 3D‑printede skjeletter etterligner ekte menneskelig hud

Den 3D‑printede strukturen laget av optimalisert hydrogel hadde mange likheter med menneskelig hud. For eksempel hadde den samme 3‑lags strukturen og levende celletype. Imidlertid kan den initielle huden skapes for å etterligne et bredt spekter av hudtyper og -lokasjoner med levende celler. Den har også samme biomekanikk som menneskelig hud.

Hydrogel i vevsteknologi: Støtte til cellevekst

Teamet startet med å lage en spesiell hydrogel som kan samhandle med og dyrke levende cellevekst. Teamet testet flere blandinger til de fant en som viste forbedret mekanisk stabilitet og motstand mot hydrolytisk nedbrytning.

Bioprinting av levende celler for kosmetisk og medisinsk testing

Ingeniørene bemerket at 3D‑printingen av levende celler kunne vokse, modnes og overleve i hydrogel‑løsningen i 3 uker mens de utviklet levende hudvev. Teamet oppnådde levende cellevekst ved bruk av kryssbindingsmetoder for stabilisering. Merk at det ikke var nødvendig å bruke farlige cytotoksiske kjemikalier. I tillegg ble etterbehandlingsoppgavene redusert.

Hvordan skjeletter nøytraliseres for sikker cellekultivering

Ingeniørene tok 3D‑skjelettet, belagt det med natriumhydroksid, og skylte det deretter grundig. Dette trinnet var avgjørende for å sikre at all resterende alkalier ble fjernet. Dette trinnet krever også en 60‑minutters bløtlegging for å sikre full nøytralitet.

Testing av levedyktigheten til 3D‑printede hudstrukturer

Ingeniørene gjennomførte flere tester for å sikre at cellene de printet modnet og var nøyaktige. Teamet undersøkte cellevekst og modenhet som første steg. Spesielt ønsket de å fastslå om cellene var helt lik de som finnes i kroppen, eller om det var detaljerte forskjeller som ville gjøre bruken av dem til testing overflødig.

Mekanisk stabilitet og biokompatibilitet til 3D‑printet hud

Testene viste at strukturen er robust og svært stabil, takket være den proprietære hydrogelen som ble brukt. Hovedpoengene med den nye utskriftsmetoden er at de kryssbundne materialene er ikke‑cytotoksiske og mekanisk stabile.
I tillegg ble det fastslått at lavere temperaturer og kortere eller lengre kryssbindingstider påvirker kryssbindingsprosessen. TU Graz‑forskerne bemerket at de kunne redusere kryssbindingsraten for å oppnå endringer i de fysikokjemiske egenskapene til skjelettet.

Fordeler med 3D‑printet hud for å redusere dyreforsøk

Det er flere fordeler denne studien bringer til markedet. For det første er det lett å se for seg at dyreforsøk blir overflødig. Det er ingen grunn til å teste på dyr når en mer rimelig og effektiv metode finnes. I tillegg bør disse dataene hjelpe firmaer med å gå fra dyreforsøk til bruk av laboratoriedyrket 3D‑printede levende celler.

Når vil 3D‑printet hud bli brukt i kosmetisk testing?

Det finnes mange anvendelser av denne teknologien som kan bidra til å redde både menneskeliv og dyreliv. Den åpenbare anvendelsen for denne teknologien er innen kosmetisk og medisinsk testing. Bruken av 3D‑printet hud vil gjøre dyreforsøk til et mindre attraktivt alternativ i fremtiden.
Denne tilpassbare huden kan lages for å etterligne et bredt spekter av menneskelige hudtyper og -lokasjoner. Som sådan vil den gi den ideelle testløsningen for forskere som ønsker å overvåke effektene av produktene sine på kroppen. På denne måten gir dataene et innblikk i rammene for utvikling av allsidige og bærekraftige biomaterialer for regenerativ medisin.

Bioprinting i rommet: Fremtidige bruksområder for menneskers helse

Et annet bruksområde for disse avanserte prosjektene med menneskelig cellevekst er å hjelpe med å utvide rekkevidden til interstellare oppdagere. I fremtiden vil romutforskning kreve at mennesker reiser fra jorden og sannsynligvis aldri kommer tilbake.

Som en del av overlevelsesstrategien vil de måtte kunne tilby tilstrekkelig helsehjelp millioner av mil fra hjemmet. Bruken av en 3D‑printer anses som den beste løsningen på dette problemet. Fremtidens astronauter kan stole på 3D‑printede organer, hud og andre kroppskomponenter for å overleve til de kan fullføre oppdraget.

Bruken av 3D‑printet hud til testing kan begynne innen de neste 3–5 årene, ettersom det er sterk etterspørsel etter denne teknologien. Målet om å printe hele organer er imidlertid fortsatt 10–20 år unna, da både vitenskapelige, medisinske og juridiske aspekter av teknologien må være på linje.

Forskerne bak gjennombruddet med 3D‑printet hud

Denne studien ble ledet av et team av innovative forskere fra Graz University of Technology (TU Graz) og Vellore Institute of Technology (VIT) i India. Spesifikt nevner artikkelen Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin og Stana Kleinschek som bidragsytere til arbeidet.

Hva er neste for 3D‑printet hud i medisinsk og kosmetisk testing

Nå vil teamet fokusere på å optimalisere hydrogel‑ og blekkdesignen for å gjøre den raskere, mer pålitelig og rimelig. De vil også prøve ulike blandinger og tilnærminger for å finne den optimale balansen mellom kostnader, utskriftsmuligheter, strukturell integritet og biologisk ytelse.

Et offentlig selskap som fremmer bioprinting‑teknologi

Det finnes flere selskaper involvert i bioprinting‑sektoren. Disse firmaene har en rekke oppgaver, fra å tilby støtte i form av programvare for utvikling av avanserte 3D‑utskriftsoppsett, til maskinvare‑ og printerprodusenter. Hvert av disse selskapene spiller en viktig rolle i markedet. Her er ett firma som er satt til å forbli en toppspiller i overskuelig fremtid.

3D Systems

Få selskaper har den innflytelse og det omdømme i bioprinting‑sektoren som 3D Systems (DDD ). Dette firmaet gikk først over til bioprinting‑sektoren i 2017 etter å ha slått seg sammen med en annen markedsleder, United Therapeutics. Siden den gang har det hatt en kritisk posisjon i å levere viktige komponenter til markedet, inkludert bio‑blekk og annen maskinvare.

I dag spiller 3D Systems en avgjørende rolle i legemiddelforskning og forskningssektoren. Det anses som ett av de største rent 3D‑printingselskapene målt på inntekter og markedsverdi. I tillegg fortsetter selskapet med oppkjøp for å styrke sin markedsposisjon. Spesielt har det kjøpt opp bioprinting‑firmaet Allevi, noe som styrker deres tekniske kapasiteter.