3D-Printed Skin: Ett lovande alternativ till djurförsök inom kosmetika

De flesta tänker aldrig på hur mycket forskning och testning som går in i vardagliga produkter som kosmetika. Från att forska och utveckla nya nyanser och färger till säkerhetstestning är kosmetikabranschen en toppmodern sektor som förlitar sig på en mängd olika metoder för att säkerställa att produkterna är säkra. Så här försöker ett team av ingenjörer minska djurförsök på marknaden genom att introducera 3D‑skriven levande hud.

Varför djurförsök fortfarande används i kosmetikabranschen

Tidigare var djurförsök det primära sättet för kosmetik- eller medicinforskare att testa sina produkter på levande varelser. I de tidiga dagarna var dessa tester så enkla som att placera produkten på djuret och övervaka dess beteende.

Under det senaste århundradet har djurförsök fått en dramatisk ökning i kapacitet. Forskare kan odla mänskliga organ och andra viktiga kroppsdelar på andra levande varelser för att förbättra testningsnoggrannheten.

Dessutom möjliggör avancerad datorbaserad modellering simuleringstester. Detta tillvägagångssätt är billigare, snabbare och mer exakt än djurförsök i de flesta scenarier. Trots dessa framsteg finns det fortfarande många kosmetik- och medicinföretag som förlitar sig på djurförsök med sina produkter.

De etiska och vetenskapliga problemen med djurförsök

Det finns uppenbara etiska problem med djurförsök. För det första har det funnits en lång historia av misshandel och grymhet mot dessa testdjur. Dessa bekymmer nådde en kritisk nivå år 2010.

Det var då EU införde en rad restriktioner för djurförsök med det övergripande målet att avveckla metoden under de kommande åren. Lyckligtvis kan ett team av innovativa ingenjörer ha kommit på en livskraftig lösning.

Hur 3D‑skriven hud kan ersätta djurförsök i laboratorier

Studien “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹ går in på en ny 3D‑utskriftsmetod som kombinerar anpassat bläck med proprietär utskriftsteknik för att skapa levande imitationshud.

Denna konstgjort odlade hud kommer att möjliggöra för ingenjörer i framtiden att utföra in‑vitro‑tester, såsom att mäta absorption och toxicitet av nanopartiklar från kosmetika och läkemedel, utan att använda några djurförsök.

Användning av 3D‑ramverk för att odla mänskliga hudceller för testning

Forskare från Graz tekniska universitet (TU Graz) och Vellore Institute of Technology (VIT) i Indien använder en proprietär 3D‑skrivare och komponenter för att skapa porösa ramverk av nanocellulosa. Dessa 3D‑ramverk är nu en kritisk komponent i testindustrin.

Vad som gör 3D‑skriven hud till en livskraftig testplattform

3D‑ramverk har vissa tydliga fördelar jämfört med alternativ när det gäller djurförsök. För det första skadas inga djur. Dessutom kan det exakt efterlikna den extracellulära matrisen (ECM). Denna förmåga gör det möjligt för ingenjörer att odla en mängd olika celler som mognar som om de befann sig i kroppen, vilket möjliggör effektiv testning av deras produkter och behandlingar.

Till skillnad från andra celltillväxtmetoder ger 3D‑ramverk strukturellt stöd och anpassningsmöjligheter. Till exempel kan ingenjörer anpassa porstrukturer, biokompatibilitet och andra viktiga detaljer såsom förmågan att stödja däggdjurscellers adhesion och proliferering.

Teamet beslutade att använda växtbaserade resurser som en del av sin metod. De visste att de ville uppnå hög mekanisk styrka och en omfattande yta på nanoskalig nivå. Efter omfattande forskning fastställde de att kombinationen av nanofibrillerad cellulosa (NFC), karboximetylcellulosa (CMC) och citronsyra (CA) skulle erbjuda den synergistiska approach de önskade.

3D‑skrivare och verktyg som används för att skapa syntetiska hudramverk

Specifikt valde teamet en BioScaffolder 3.1 3D‑skrivare med ett anpassat skrivmunstycke. Ingenjörerna programmerade sedan viktiga detaljer som tryck och trådad avstånd med GeSiM Robotics BS3.1/3.2‑programvara. Denna konfiguration hade utsläppstrycket inställt på ett intervall på 220 kPa–260 kPa med ett trådad avstånd på 500 μm–900 μm och en trådhöjd på 0,2 mm.

Forskaren valde en utskriftshastighet på 15 mm/s och ett Z‑offset på 0,0 mm. Denna strategi fungerade bra med hydrogelens höga vatteninnehåll. Detta höga vatteninnehåll skapar också en idealisk miljö för celltillväxt, men det komplicerar utskriften.

För att motverka den ökade hydreringen skapade ingenjörerna en celluloderivat med karboxylgrupper. Denna kemikalie förbättrade vattenretention och adhesion. Den förbättrade också vattenretention, korsbindning, interfacial adhesion och jonisk korsbindningskapacitet, vilket gör den till ett idealiskt tillsatsmedel för vävnads‑engine­ringskonstruktioner. Noterbart fungerar citronsyran som en naturlig korsbindare och covalent bindningsförstärkare som hjälper till att stabilisera ramverkets struktur samtidigt som biokompatibiliteten bibehålls.

Frystorkningsprocess för att stabilisera 3D‑skrivna ramverk

Frystorkning var en annan metod som användes för att avlägsna oönskad hydrering i hydrogelen. Metoden är idealisk eftersom den tar bort överflödigt vatten samtidigt som den porösa strukturen förblir intakt. Den plötsliga temperaturfallet ökar också korsbindningen av karboxyl- och hydroxylgrupper.

Källa – Manisha Sonthalia – Vellore Institute of Technology

Nanocellulosa‑baserad bio‑bläck: sammansättning och roll i bioprintning

En del av den nya 3D‑utskriftsmetoden bygger på användning av nanocellulosa‑bläck. Detta bläck kombinerar nanofibrillerad cellulosa (NFC), karboximetylcellulosa (CMC) och citronsyra (CA). Citronsyran fungerar som ett slutligt bindemedel i lösningen. Noterbart skapade ingenjörerna fyra bläckvariationer för testning.

Hur 3D‑skrivna ramverk efterliknar riktig mänsklig hud

Den 3D‑skrivna strukturen av optimerad hydrogel delade många likheter med mänsklig hud. Till exempel hade den samma tredelade struktur och levande celltyper. Initieringshuden kan dock skapas för att efterlikna en mängd olika hudtyper och åkommor med levande celler. Den har också samma biomekanik som mänsklig hud.

Hydrogel i vävnads­engine­ring: stöd för celltillväxt

Teamet började med att skapa en speciell hydrogel som kan interagera med och odla levande celltillväxt. De testade flera blandningar tills de fann en som visade förbättrad mekanisk stabilitet och motståndskraft mot hydrolytisk nedbrytning.

Bioprintning av levande celler för kosmetisk och medicinsk testning

Ingenjörerna noterade att 3D‑utskrift av levande celler kunde växa, mogna och överleva i hydrogelösningen i tre veckor medan de utvecklade levande hudvävnad. Teamet uppnådde levande celltillväxt med hjälp av korsbindningsmetoder för stabilisering. Noterbart fanns inget behov av farliga cytotoxiska kemikalier. Dessutom minskade efterbearbetningsuppgifterna.

Hur ramverk neutraliseras för säker cellodling

Ingenjörerna tog 3D‑ramverket, belade det med natriumhydroxid och sköljde sedan noggrant. Detta steg var avgörande för att säkerställa att allt kvarvarande alkali avlägsnades. Steget kräver också ett 60‑minuters blötläggning för att garantera full neutralitet.

Testning av livskraften hos 3D‑skrivna hudstrukturer

Ingenjörerna genomförde flera tester för att säkerställa att de celler de skrev ut mognade och var korrekta. Teamet undersökte celltillväxt och mognad som första steg. Specifikt var de angelägna om att avgöra om cellerna var exakt som de som finns i kroppen eller om det fanns detaljerade skillnader som skulle göra deras användning för testning föråldrad.

Mekanisk stabilitet och biokompatibilitet hos 3D‑skriven hud

Testerna visade att strukturen är motståndskraftig och extremt stabil, tack vare den proprietära hydrogel som användes. De viktigaste slutsatserna av den nya utskriftsmetoden är att de korsbundna materialen är icke‑cytotoxiska och mekaniskt stabila.

Dessutom fastställdes att lägre temperaturer samt kortare eller längre korsbindningstider påverkar korsbindningsprocessen. Forskare vid TU Graz noterade att de kunde minska korsbindningshastigheten för att åstadkomma förändringar i de fysikokemiska egenskaperna hos ramverket.

Fördelar med 3D‑skriven hud för att minska djurförsök

Denna studie ger flera fördelar till marknaden. För det första är det lätt att föreställa sig att djurförsök blir föråldrade. Det finns ingen anledning att testa på djur när en mer prisvärd och effektiv metod finns. Dessutom bör dessa data hjälpa företag att övergå från djurförsök till användning av laboratorieodlade 3D‑utskrivna levande celler.

När kommer 3D‑skriven hud att användas i kosmetisk testning?

Det finns många tillämpningar av denna teknik som kan hjälpa till att rädda både mänskliga och djuriska liv. Den uppenbara tillämpningen för denna teknik är inom kosmetisk och medicinsk testning. Användningen av 3D‑skriven hud kommer att göra djurförsök till ett mindre attraktivt alternativ i framtiden.

Denna anpassningsbara hud kan tillverkas för att efterlikna en mängd olika mänskliga hudtyper och områden. På så sätt kommer den att erbjuda den ideala testlösningen för forskare som vill övervaka sina produkters effekter på kroppen. På så sätt ger dessa data en inblick i ramverket för att utveckla mångsidiga och hållbara biomaterial för regenerativ medicin.

Bioprintning i rymden: framtida användningsområden för mänsklig hälsa

En annan användning för dessa avancerade projekt för mänsklig celltillväxt är att hjälpa till att utöka räckvidden för interstellära utforskare. I framtiden kommer rymdutforskning att kräva att människor reser från jorden och troligen aldrig återvänder.

Som en del av deras överlevnadsstrategi kommer de behöva kunna erbjuda adekvat sjukvård miljoner mil från hemmet. Användningen av en 3D‑skrivare ses som den bästa lösningen på detta problem. Framtidens astronauter kan förlita sig på 3D‑utskrivna organ, hud och andra kroppskomponenter för att klara sig tills de kan slutföra sin mission.

Användningen av 3D‑utskrift av hud för testning kan börja inom de kommande 3–5 åren, eftersom efterfrågan på denna teknik är stark. Målet att skriva ut hela organ ligger dock fortfarande 10–20 år framåt, då både vetenskapliga, medicinska och juridiska aspekter av tekniken måste samordnas.

Forskare bakom genombrottet med 3D‑skriven hud

Denna studie leddes av ett team av innovativa forskare från Graz tekniska universitet (TU Graz) och Vellore Institute of Technology (VIT) i Indien. Artikeln listar specifikt Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin och Stana Kleinschek som bidragsgivare till arbetet.

Vad som är nästa steg för 3D‑skriven hud i medicinsk och kosmetisk testning

Nu kommer teamet att fokusera på att optimera sin hydrogel- och bläckdesign för att göra den snabbare, mer pålitlig och prisvärd. De kommer också att prova olika blandningar och metoder för att hitta den optimala balansen mellan kostnader, utskrivbarhet, strukturell integritet och biologisk prestanda.

Ett publikt företag som driver bioprintningsteknologi framåt

Det finns flera företag som är involverade i bioprintningssektorn. Dessa företag har en mängd olika uppgifter, från att erbjuda stöd i form av mjukvara för att utveckla avancerade 3D‑utskriftslayouter till hårdvara och skrivartillverkare. Varje företag spelar en viktig roll på marknaden. Här är ett företag som förväntas förbli en topprankad aktör under den närmaste framtiden.

3D Systems

Få företag har samma inflytande och rykte i bioprintningssektorn som 3D Systems (DDD ). Detta företag vände först mot bioprintningssektorn 2017 efter att ha gått samman med en annan marknadsledare, United Therapeutics (UTHR ). Sedan dess har det haft en kritisk roll i att leverera viktiga komponenter till marknaden, inklusive bio‑bläck och annan hårdvara.

Idag spelar 3D Systems en avgörande roll inom läkemedelsupptäckt och forskningssektorerna. Det betraktas som ett av de största renodlade 3D‑utskriftsföretagen sett till intäkter och börsvärde. Företaget fortsätter dessutom att göra förvärv för att stärka sin marknadsposition. Specifikt förvärvade det bioprintningsföretaget Allevi, vilket utökade dess tekniska kapacitet.

De som söker en pålitlig och beprövad bioprintningsaktie bör göra mer research om 3D Systems. Företaget har säkrat ett rykte som innovatör och har ett stort nätverk av partners och investerare som stödjer dess forskning, inklusive företagets mål att en dag odla kompletta mänskliga organ. Även om detta mål fortfarande kan ligga flera år framåt, kommer denna forskning utan tvekan att påskynda processen.

Senaste om 3D Systems

3D‑skriven levande hud – läkning möter teknik

Man måste berömma TU Graz och Vellore Institute of Technology i Indien för att de utvecklat sin 3D‑skrivna hud. Denna förbättrade metod kan hjälpa till att inleda en era utan djurförsök och mer effektiva läkemedel. För närvarande bör denna studie ses som en strimma av hopp för djuraktivister, medicinska yrkesutövare och hela kosmetikabranschen.

Läs om andra spännande biotek‑genombrott här.

Studier som refereras:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). Protokoll för tillverkning av självstående (nano)cellulosa‑baserade 3D‑ramverk för vävnads‑engine­ring. STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}