Onderzoekers gebruiken hete nano-beitel om kunstmatige botten in een petrischaal te maken

Een heilige graal voor orthopedisch onderzoek is een methode om niet alleen kunstmatig botweefsel te maken dat precies overeenkomt met het echte werk, maar ook zo microscopisch gedetailleerd dat het minuscule structuren bevat die mogelijk belangrijk zijn voor stamceldifferentiatie, wat de sleutel is tot botregeneratie.

Onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering en het New York Stem Cell Foundation Research Institute (NYSF) hebben een grote stap gezet door de exacte replica van een bot te maken met behulp van een systeem dat biothermische beeldvorming koppelt aan een verwarmde “nano-beitel”. In een studie, “Cost and Time Effective Lithography of Reusable Millimeter Size Bone Tissue Replicas with Sub-15 nm Feature Size on a Biocompatible Polymer,” die in het tijdschrift verschijnt Geavanceerde functionele materialen, beschrijven de onderzoekers een systeem waarmee ze in biocompatibel materiaal de exacte structuur van het botweefsel kunnen modelleren, met kenmerken die kleiner zijn dan de grootte van een enkel eiwit – een miljard keer kleiner dan een meter. Dit platform, genaamd bio-thermische scanning probe lithografie (bio-tSPL), maakt een “foto” van het botweefsel en gebruikt de foto vervolgens om er een bonafide replica van te maken.

Het team, geleid door Elisa Riedo, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan NYU Tandon, en Giuseppe Maria de Peppo, een Ralph Lauren Senior Principal Investigator bij de NYSF, toonden aan dat het mogelijk is om bio-tSPL op te schalen om botreplica’s te produceren op een omvang die zinvol is voor biomedische studies en toepassingen, tegen een betaalbare prijs. Deze botreplica’s ondersteunen de groei van botcellen die zijn afgeleid van de eigen stamcellen van een patiënt, waardoor de mogelijkheid wordt gecreëerd om nieuwe stamceltoepassingen te pionieren met breed onderzoek en therapeutisch potentieel. Deze technologie zou de ontdekking van geneesmiddelen radicaal kunnen veranderen en kan resulteren in de ontwikkeling van betere orthopedische implantaten en apparaten.

Het onderzoek, “Kosten- en tijdbesparende lithografie van herbruikbare millimetergrootte botweefselreplica’s met sub-15 nm kenmerkgrootte op een biocompatibel polymeer”, verschijnt in Geavanceerde functionele materialen.

In het menselijk lichaam leven cellen in specifieke omgevingen die hun gedrag beheersen en weefselregeneratie ondersteunen door middel van morfologische en chemische signalen op moleculaire schaal. In het bijzonder zijn botstamcellen ingebed in een matrix van vezels – aggregaten van collageenmoleculen, botteneiwitten en mineralen. De hiërarchische botstructuur bestaat uit een samenstel van micro- en nanostructuren, waarvan de complexiteit hun replicatie door standaard fabricagemethoden tot dusver heeft belemmerd.

“tSPL is een krachtige nanofabricagemethode die mijn laboratorium een ​​paar jaar geleden pionierde, en die momenteel wordt geïmplementeerd met behulp van een in de handel verkrijgbaar instrument, de NanoFrazor,” zei Riedo. “Tot op de dag van vandaag hebben beperkingen in termen van doorvoer en biocompatibiliteit van de materialen het gebruik ervan in biologisch onderzoek verhinderd. We zijn erg opgewonden dat we deze barrières hebben doorbroken en tSPL naar het rijk van biomedische toepassingen hebben geleid.”

Zijn tijd- en kosteneffectiviteit, evenals de celcompatibiliteit en herbruikbaarheid van de botreplica’s, maken bio-tSPL tot een betaalbaar platform voor de productie van oppervlakken die elk biologisch weefsel perfect reproduceren met een ongekende precisie.

“Ik ben enthousiast over de precisie die wordt bereikt met bio-tSPL. Bot-mimetische oppervlakken, zoals degene die in deze studie is gereproduceerd, creëren unieke mogelijkheden voor het begrijpen van celbiologie en het modelleren van botziekten, en voor het ontwikkelen van geavanceerdere platforms voor het screenen van geneesmiddelen,” zei de Peppo. “Als weefselingenieur ben ik vooral opgewonden dat dit nieuwe platform ons ook zou kunnen helpen om effectievere orthopedische implantaten te maken voor de behandeling van skelet- en maxillofaciale defecten als gevolg van letsel of ziekte.”