Legemiddelutvikling med bioelektroniske skjeletter – en annen brukstilfelle for 3D‑utskrift

Den additive produksjonssektoren viser fortsatt et nesten ubegrenset potensial. Innovasjoner har tatt 3D‑skrivere fra å lage tilpassede figurer til å skrive ut hele nabolag, fungerende elektronikk og til og med menneskelige organer. Nå har forskere ved Washington University i St. Louis utviklet en ny metode for 3D‑utskrift av bioelektroniske skjeletter som er designet for å støtte vevsdannelse. Selv om denne teknologien ennå ikke gjør det mulig å skrive ut fullt funksjonelle organer direkte, representerer den et betydelig steg mot forbedring av konstruert vev for medisinske anvendelser.

Tradisjonelle metoder for vevsutvikling

De fleste er uvitende om at vevsutvikling er en kritisk prosess i legemiddelkvalifisering og andre viktige medisinske praksiser. Forskere bruker naturlige eller kunstig lagde skjeletter som støtter en rekke celler, inkludert primære celler, stamceller og udødeliggjorte cellelinjer, for å lage levende vev til legemiddelkvalifisering og andre formål.

Blodceller

Skjelettet gjør det mulig for cellene å vokse og utvikle seg. Målet er å gjenskape menneskelig fysiologi, slik at behandlinger kan testes og overvåkes på levende celler. For eksempel kan forskere bruke disse skjelettene til å lage vevmodeller for legemiddelkvalifisering, noe som potensielt kan forbedre vår forståelse av hvordan medisiner samhandler med biologiske systemer.

Bioelektronikk

Bioelektronikkfeltet fokuserer på å integrere elektroniske egenskaper med biologiske systemer. Forskningen fra Washington University utnytter dette konseptet ved å utvikle 3D‑printede skjeletter som støtter vevsdannelse samtidig som de opprettholder elektrisk ledningsevne, noe som kan være nyttig i legemiddelkvalifisering og regenerativ medisin. Disse enhetene gir mer fleksibilitet når det gjelder anvendelser og muligheter.

Interessant nok er konseptet bioelektronikk en århundregammel teori som dreier seg om å bruke elektronisk stimulering for å behandle plager. I antikken var det kulturer som egypterne som benyttet elektriske dyr som fisk for å redusere smerte og betennelse.

På 1600‑tallet var elektroterapi en levedyktig medisinsk praksis i hele Europa. På 1800‑tallet lærte mennesker å utnytte og generere elektrisitet uavhengig, og slapp dermed å bruke naturens elektrisk‑produserende dyr. I dag er bioelektronisk teknologi mye brukt av ulike grunner.

Ulemper med bioelektronikk

I dag er bioelektronikkmarkedet begrenset fordi de fleste ledende materialer er stive. Denne stivheten har redusert muligheten til å bruke dem i visse scenarier hvor deres fysiologiske begrensninger kan forårsake bivirkninger. Heldigvis kan dette scenarioet være i ferd med å endre seg.

Studie av bioelektroniske skjeletter

En nylig studie¹ publisert i tidsskriftet Advanced Materials Technologies med tittelen «3D Printed Bioelectronic Scaffolds with Soft Tissue-Like Stiffness» introduserer en ny 3D‑utskriftsmetode som kan produsere pålitelige bioelektroniske skjeletter. Disse 3D‑printede bioelektroniske skjelettene gir det ideelle miljøet for celle‑ og vevsvekst ifølge forskerne.

PEDOT: PSS,

Studien går i dybden på bruken av et nytt materiale kalt PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonate)) som skjelettstruktur. Interessant nok er det bygget i en gitter‑lignende struktur designet for å støtte cellene. Merkverdig er at dette skjelettet er nedsenket i en vannbasert gel som en del av prosessen.

Denne gelen har mange porer med størrelser fra 150‑300 mikrometer. For det blotte øye ser skjelettet ut som 6 mm brede mørke flekker som har liten funksjon. Imidlertid er disse porene kritiske komponenter som bidrar til å fremme sunn cellevekst.

Porene hjelper med å bestemme nøkkelfaktorer som hvor raskt og i hvilken retning cellekulturen vil utvikle seg. De spiller også en rolle i hvordan hver celle vil interagere og formere seg. Denne fleksibiliteten gjør det mulig for forskerne å finjustere sine konstruksjoner med eksakte spesifikasjoner. De kan til og med justere små detaljer som porevinkel for å endre hele støttestrukturens rutenett‑layout.

Testresultater for bioelektroniske skjeletter

Ingeniørene fant at deres skjeletter holdt seg utmerket sammenlignet med tradisjonelle metoder. De oppdaget at bruk av PEDOT: PSS gir flere fordeler, inkludert stabilitet og ledende egenskaper. Denne egenskapen gjør det mulig å lage hydrerte elektroniske systemer.

Denne typen elektronikk eksisterer innenfor en levende ramme. De kan en dag bli avgjørende i behandlingsprosessen for alvorlige skader og mer. Hovedfaktoren er at rammen utmerket seg i å opprettholde biostabilitet. Ytterligere tester viste at cellene hadde høy morfologi og proliferasjon, noe som gjør den til det ideelle mikro‑miljøet for vekst.

Fordeler med bioelektroniske skjeletter

Det finnes en lang liste med fordeler som denne studien bringer til markedet. For det første betyr fleksibiliteten at teknologien vil tillate forskere å skape nye metoder for vevstesting og elektronikk. Disse innovative forsøkene kan føre til store medisinske gjennombrudd.

Raskere

3D‑utskriftsmetoden gjør det mulig for forskere å designe skjelettstrukturer presist, noe som potensielt kan strømlinjeforme aspekter av vevsteknikk. Imidlertid krever den samlede vevsvekstprosessen fortsatt tid for at cellene skal utvikle seg og integreres i skjelettet. Tidligere kunne laboratoriedyrkede prøver ta uker å fullføre og modne. I tillegg var de tidkrevende å samle eller lage individuelt. Denne nye 3D‑utskriftsmetoden forbedrer effektiviteten, eliminerer avfall og gir mye raskere utskriftstider.

Fleksibilitet

En av hovedfordelene med denne forskningen er fleksibiliteten. Teamet bemerket at de kunne endre mange aspekter ved cellens utvikling ved bare å endre størrelse og plassering av skjelettet i forhold til hverandre. Denne fleksibiliteten vil tillate ingeniører å lage akkurat den typen vev som trengs for å sikre at deres nyeste behandlinger forblir effektive.

Tilgjengelighet

En annen stor fordel med denne forskningen er at 3D‑printet vev er langt mer tilgjengelig enn tradisjonelt laboratoriedyrkede prøver. Å gjøre det mulig for legemiddelfabrikanter å enkelt skrive ut vev vil resultere i raskere og grundigere legemiddelkvalifisering. I fremtiden kan denne typen 3D‑printer finnes på ditt lokale helsevesen, hvor den kan tjene flere roller i behandlingsprosessen din.

Anvendelser av bioelektroniske skjeletter

Det finnes en lang liste med potensielle anvendelser for denne teknologien. Du kan se en dag hvor disse strukturene brukes til å støtte reparasjon av menneskelig vev eller implantater. Det er ideelt for dette scenariet fordi det kan lages raskt, tilpasses pasientens krav, og kan støtte direkte elektronisk og sensorintegrasjon.

Muligheten til å 3D‑printe implantater, pacemakere og annen smart teknologi vil uten tvil endre markedet. I fremtiden vil denne teknologien lage lettere, raskere og sterkere enheter som er mer holdbare og etterligner hudvevet ditt. Disse enhetene vil være lastet med sensorer som gir verdifull innsikt i alle aspekter av helsen din.

I tillegg vil denne forskningen føre til mer inngående studier av cellulær aktivitet, og låse opp nye biofysiske sammenhenger som ingeniører aldri hadde mistenkt. På den måten kan ingeniører bruke denne teknologien til å sikre at nye legemidler får den høyeste testnivået før godkjenning, noe som reduserer risikoen for feilbehandling og skade.

Bioelektroniske skjeletter – forskere

Forskning på bioelektroniske skjeletter ble ledet av Alexandra Rutz og Somtochukwu Okafor fra Washington University i St. Louis. Siden publiseringen av funnene har teamet søkt om patent på sine bioelektroniske skjeletter. Nå søker gruppen å utvide testing for å demonstrere skjelettenes robusthet i virkelige miljøer og som en levedyktig behandlingspolitikk.

Ledende biotek‑selskaper

Bioelektronikkfeltet er i vekst. Kunstig intelligens og andre teknologier fortsetter å drive denne industrien mot innovative resultater. I dag fortsetter biotek å forme verden du lever i. Her er ett selskap som har vært pioner i bioteknologimarkedet gjennom sine unike tilbud og produkter.

Vertex Pharmaceuticals

Vertex Pharmaceutical (VRTX ) kom inn i markedet i 19898. Det ble grunnlagt av Joshua Boger og Kevin J. Kinsella for å hjelpe medisinske fagfolk med å finne bedre behandlingsprosesser for alvorlige sykdommer.

Siden lanseringen har selskapet lykkes med å få FDA‑godkjenning på flere legemidler som Kalydeco, Orkambi, Symdeko og Trikafta/Kaftrio, som er designet for å bekjempe celle­sykdommer som cystisk fibrose. Dermed fortsetter selskapet å pionere nye biotek‑løsninger i markedet.

Vertex Pharmaceuticals introduserte nylig genredigerende terapier for beta‑thalassemi og sigdcelleanemi, noe som demonstrerer den viktige rollen de spiller i å innovere markedet. Denne lanseringen viser selskapets retning mot å bidra til å løse mange av verdens mest presserende sykdomsrelaterte utfordringer.

De som søker en pålitelig og veletablert biotek‑aksje bør vurdere VRTX. Analytikere ser på VRTX som en sterk «HOLD» for tradere på grunn av selskapets innovative satsinger og markedsposisjon. I tillegg har det et etablert omdømme og vil være blant de første selskapene som drar nytte av videre biotek‑fremskritt.

Bioelektroniske skjeletter – en lys fremtid

Innføringen av en billigere og mer pålitelig måte å bygge celle‑strukturer på vil ha en dyp innvirkning på medisinske og andre industrier. Jo raskere nye behandlinger blir testet, jo bedre er det for alle. For nå ser fremtiden for cellevekst og medisinsk forskning ut til å stå på terskelen til store oppdagelser takket være den innovative forskningen demonstrert av dette teamet.

Du kan lære mer om spennende 3D‑utskrifts‑teknologi her.

Studierreferanse:

^{1. Okafor, S. S., Park, J., Liu, T., Goestenkors, A. P., Alvarez, R. M., Semar, B. A., Yu, J. S., O’Hare, C. P., Montgomery, S. K., Friedman, L. C., & Rutz, A. L. (2025). 3D‑printede bioelektroniske skjeletter med myk vev‑lignende stivhet. Advanced Materials Technologies. https://doi.org/10.1002/admt.202401528}