Bioelektroniska 3D-ställningar för vävnadsmodeller och läkemedelsutveckling

Additiv tillverkning används inom allt från modeller och byggdelar till vissa elektroniska och biomedicinska strukturer. Forskare vid Washington University i St. Louis har utvecklat en metod för att 3D-skriva porösa, elektriskt ledande byggnadsställningar som kan bära celler och tillföra elektrisk stimulering. Studien gäller ett laboratoriematerial för vävnadsmodeller. Den visade inte utskrift av ett fungerande mänskligt organ, en pacemaker eller en färdig behandling.

Traditionella metoder för vävnadsutveckling

De flesta är omedvetna om att vävnadsutveckling är en avgörande process för läkemedelstestning och andra viktiga medicinska tillämpningar. Forskare använder naturliga eller konstgjorda scaffoldar som stödjer en mängd olika celler, inklusive primära celler, stamceller och immortaliserade cellinjer, för att skapa levande vävnad för läkemedelstestning och andra ändamål.

Scaffoldarna möjliggör att cellerna växer och utvecklas. Målet är att återskapa mänsklig fysiologi, vilket möjliggör testning och övervakning av behandlingar på levande celler. Till exempel kan forskare använda dessa scaffoldar för att skapa vävnadsmodeller för läkemedelstestning, vilket potentiellt förbättrar vår förståelse för hur mediciner interagerar med biologiska system.

Bioelektronik

Bioelektronikområdet fokuserar på att integrera elektroniska egenskaper med biologiska system. Forskningen från Washington University utnyttjar detta koncept genom att utveckla 3D-utskrivna scaffoldar som stödjer vävnadsbildning samtidigt som de behåller elektrisk ledningsförmåga, vilket kan vara användbart inom läkemedelsutveckling och regenerativ medicin. Dessa enheter ger större flexibilitet när det gäller tillämpningar och möjligheter.

Intressant nog är konceptet bioelektronik en århundradelang teori som kretsar kring att använda elektroniska stimuli för att behandla åkommor. På antiken fanns kulturer som egyptierna som använde elektriska djur som fiskar för att minska smärta och inflammation.

På 1600-talet var elektroterapi en gångbar medicinsk praxis i hela Europa. På 1800-talet lärde sig människor att själva utnyttja och generera elektricitet, vilket eliminerade behovet av att använda naturens elproducerande djur. Idag används bioelektronisk teknik i stor utsträckning av olika skäl.

Nackdelar med bioelektronik

Idag är bioelektronikmarknaden begränsad eftersom majoriteten av ledande material är styva. Denna styvhet har minskat dess användbarhet i vissa situationer där dess fysiologiska begränsningar kan orsaka negativa effekter. Lyckligtvis kan detta scenario vara på väg att förändras.

Studie om bioelektroniska scaffoldar

En nyligen studie¹ publicerad i tidskriften Advanced Materials Technologies med titeln “3D Printed Bioelectronic Scaffolds with Soft Tissue-Like Stiffness” introducerar en ny 3D-utskriftsteknik som kan producera pålitliga bioelektroniska scaffoldar. Enligt forskarna erbjuder dessa 3D-utskrivna bioelektroniska scaffoldar den ideala miljön för cell- och vävnadsväxt.

PEDOT: PSS,

Studien undersöker användningen av ett nytt material som heter PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonate)) som scaffoldstruktur. Intressant nog är det byggt i en gallerliknande struktur avsedd att stödja cellerna. Noterbart är att detta scaffold är nedsänkt i en vattenbaserad gel som en del av processen.

Denna gel har många porer som varierar från 150–300 mikrometer i storlek. För blotta ögat ser scaffolden ut som mörkfärgade prickar på 6 mm bredd som verkar ha liten funktion. Dock är dessa porer kritiska komponenter som hjälper till att främja sund celltillväxt.

Porerna hjälper till att bestämma nyckelfaktorer såsom hur snabbt och i vilken riktning cellkulturen kommer att utvecklas. De spelar också en roll i hur varje cell interagerar och förökar sig. Denna flexibilitet gör det möjligt för forskare att finjustera sina skapelser med exakta specifikationer. De kan till och med justera små detaljer som porevinkel för att förändra hela stödstrukturens rutnätslayout.

Resultat från test av bioelektroniska scaffoldar

Ingenjörerna fann att deras scaffold presterade utmärkt jämfört med traditionella metoder. De upptäckte att användning av PEDOT: PSS ger flera fördelar inklusive stabilitet och ledningsförmåga. Denna egenskap möjliggör skapandet av hydratiserade elektroniska system
Denna typ av elektronik existerar inom en levande ram. De kan en dag bli avgörande i behandlingsprocessen för allvarliga skador och mer. Den viktigaste faktorn är att ramen utmärkte sig i att upprätthålla biostabilitet. Ytterligare tester visade att cellerna uppvisade hög morfologi och proliferering, vilket gör den till den ideala mikro-miljön för tillväxt.

Fördelar med bioelektroniska scaffoldar

Det finns en lång lista med fördelar som denna studie för med sig till marknaden. För det första innebär dess flexibilitet att tekniken kommer att låta forskare skapa nya metoder för vävnadstestning och elektronik. Dessa innovativa försök kan leda till stora medicinska genombrott.

Snabbare

3D-utskriftsmetoden gör det möjligt för forskare att exakt designa scaffoldstrukturer, vilket potentiellt effektiviserar aspekter av vävnadsingenjörskonst. Dock kräver den övergripande vävnadstillväxtprocessen fortfarande tid för cellerna att utvecklas och integreras i scaffolden. Tidigare kunde laboratorieodlade prover ta veckor att slutföra och mogna. Dessutom är de tidskrävande att samla in eller skapa individuellt. Denna nya 3D-utskriftsteknik förbättrar effektiviteten, eliminerar spill och ger mycket snabbare utskriftstider.

Flexibilitet

En av huvudfördelarna med denna forskning är dess flexibilitet. Teamet noterade att de kunde förändra många aspekter av cellens utveckling genom att helt enkelt ändra storlek och placering av scaffolden i förhållande till varandra. Denna flexibilitet kommer att göra det möjligt för ingenjörer att skapa exakt den typ av vävnad som behövs för att säkerställa att deras senaste behandlingar förblir effektiva.

Tillgänglighet

En annan stor fördel med denna forskning är att 3D-utskriven vävnad är mycket mer tillgänglig än traditionellt laboratorieodlade prover. Att möjliggöra för läkemedelsföretag att enkelt skriva ut vävnad kommer att leda till snabbare och mer grundliga läkemedelsinspektioner. I framtiden kan denna typ av 3D-skrivare finnas på ditt lokala vårdinrättning där den kan fylla flera roller i din behandlingsprocess.

Tillämpningar av bioelektroniska scaffoldar

Det finns en lång lista med potentiella tillämpningar för denna teknik. Du kan föreställa dig en dag då dessa strukturer används för att stödja mänsklig vävnadsreparation eller implantat. Det är idealiskt för detta scenario eftersom det kan skapas snabbt, anpassas efter patientens krav och kan stödja direkt elektronisk och sensorintegration.

Den rapporterade metoden kan på sikt bidra till vävnadsmodeller där elektrisk stimulering kombineras med cellodling. Det krävs dock ytterligare data om biokompatibilitet, sterilitet, mekanisk stabilitet, långtidsexponering och reproducerbar tillverkning innan ett sådant material kan bedömas för implantat. Studien demonstrerade varken en utskriven pacemaker eller sensorer som övervakar alla aspekter av en patients hälsa.

Dessutom kommer denna forskning att leda till mer djupgående studier kring cellulär aktivitet, vilket låser upp nya biofysiska samband som ingenjörer aldrig misstänkt. På så sätt kan ingenjörer använda denna teknik för att säkerställa att nya läkemedel får den högsta nivån av testning innan godkännande, vilket minskar risken för felbehandling och skador.

Forskare inom bioelektroniska scaffoldar

Forskningen kring bioelektroniska scaffoldar leddes av Alexandra Rutz och Somtochukwu Okafor från Washington University i St. Louis. Sedan de publicerade sina resultat har teamet ansökt om patent på sina bioelektroniska scaffoldar. Nu strävar gruppen efter att utöka testerna för att demonstrera dessa scaffoldars motståndskraft i verkliga miljöer och som en genomförbar behandlingsstrategi.

Ledande bioteknikföretag

Bioelektronikområdet växer. Artificiell intelligens och andra teknologier fortsätter att driva denna industri mot innovativa resultat. Idag omformar biotekniken världen du lever i. Här är ett företag som har banat väg för bioteknikmarknaden genom sina unika erbjudanden och produkter.

Vertex Pharmaceuticals

Vertex Pharmaceutical (VRTX ) gick in på marknaden år 19898. Det grundades av  Joshua Boger och Kevin J. Kinsella för att hjälpa medicinska yrkesverksamma att hitta bättre behandlingsprocesser för allvarliga sjukdomar.

Vertex har fått godkännanden för flera CFTR-modulatorer mot vissa mutationer vid cystisk fibros, däribland Kalydeco, Orkambi, Symdeko och Trikafta/Kaftrio. Vilken behandling som är aktuell beror på patientens mutationer, ålder, land och produktinformation. Dessa läkemedel utvecklades inte genom den bioelektroniska byggnadsställning som beskrivs i studien ovan.

Vertex och CRISPR Therapeutics utvecklade Casgevy, en ex vivo-genredigerad behandling som fick sina första godkännanden 2023 för utvalda patienter med sicklecellsjukdom eller transfusionsberoende beta-thalassemi. Behandlingen kräver insamling och redigering av patientens egna stamceller samt myeloablativ konditionering och är inte kopplad till denna scaffoldstudie.

Vertex är ett etablerat bioteknikbolag, men det deltog inte i den redovisade forskningen. En investering i VRTX ger därför inte direkt exponering mot den bioelektroniska scaffolden. Bedömningen behöver i stället omfatta produktkoncentration inom cystisk fibros, införandet av nya behandlingar, kliniska och regulatoriska risker, prissättning, konkurrens och aktiens värdering. Ingen analytikerrekommendation eller framtida nytta är garanterad.

Bioelektroniska scaffoldar  en ljus framtid

Införandet av ett billigare och mer pålitligt sätt att bygga cellstrukturer kommer att ha en djupgående effekt på medicinska och andra industrier. Ju snabbare nya behandlingar testas, desto bättre blir det för alla. För närvarande verkar framtiden för celltillväxt och medicinsk forskning stå på tröskeln till stora upptäckter tack vare den innovativa forskning som detta team har demonstrerat.

Du kan lära dig mer om spännande 3D‑utskriftsteknik här.

Studierreferens:

^{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‑utskrivna bioelektroniska scaffoldar med mjuk vävnadsliknande styvhet. Advanced Materials Technologies. https://doi.org/10.1002/admt.202401528}