Bio-productie van kunstmatige bloedvaten met laser

Tot nu toe was het alleen mogelijk om de bovenste lagen van de huid – de epidermis en dermis – buiten het menselijk lichaam te cultiveren, met een totale dikte van maximaal 200 micrometer. Een compleet huidsysteem bevat echter ook subcutaan weefsel van enkele millimeters dik. Als je tegelijkertijd de hypodermis wilt cultiveren, zijn de bloedvaten die dit weefsel voeden absoluut noodzakelijk, want voor celaggregaten van ongeveer 200 micrometer dik geldt: geen leven zonder bloed. Juist daar begint project ArtiVasc 3D: het ontwikkelen van kunstmatige bloedvaten.

Het juiste materiaal in de juiste vorm

Een van de grootste uitdagingen voor het project was het ontwikkelen van het juiste materiaal voor de kunstmatige bloedvaten. Om ze te kunnen gebruiken in het menselijk lichaam moeten de vaten beschikken over de juiste mechanische eigenschappen en biocompatibiliteit  en ze moeten ook geschikt zijn voor productie.

Om deze eigenschappen te verkrijgen combineerden de wetenschappers de vormmethodes van inkjet printen en stereolithografie. Met deze processen lukte het om een zeer fijne resolutie te behalen voor de vertakte, poreuze bloedvaten met laagdikten van ongeveer 20 micrometer. De data voor de vertakkingen van de vaten werden ontwikkeld met mathematische simulaties. Met deze data moet worden gezorgd dat vertakte structuren kunnen worden gecreëerd die een uniforme bloedtoevoer mogelijk maken. .

Met de binnen het project ontwikkelde synthetische polymeer op acrylaatbasis konden de onderzoekers geoptimaliseerde vaten maken met poriediameters in de orde van honderdste micrometers. Vergeleken met conventionele methoden biedt het ArtiVasc 3D proces voor het eerst de algemene voorwaarden voor het produceren van vertakte en biocompatibele vaten met deze afmetingen.

Voorwaarts in de derde dimensie

De resultaten van ArtiVasc 3D zijn bepalend voor de toekomst. Er is een toolbox ontwikkeld die flexibel respondeert op diverse materialen, vormen en formaten. Deze resultaten kunnen worden gezien als een voorloper op een volledig geautomatiseerde procesketen  voor de productie van kunstmatige bloedvaten die kan worden geïntegreerd in bestaande lijnen.  Een andere hoogtepunt in het project is het succesvol kweken van vetweefsel in een nieuw soort bioreactor. De combinatie van vetweefsel met het bestaande huidmodel maakt de vervaardiging mogelijk van een huidmodel met een dikte van 12 millimeter.

De succesvolle ‘ verovering’  van de derde dimensie hoeft niet beperkt te blijven tot de huid. Het project legt ook de basis voor driedimensionale weefsel-engineering. Door het principe te gebruiken van bloedcirculatie met kunstmatige bloedvaten kunnen medische engineers in de toekomst grotere structuren bouwen, zoals hele organen. Voor in vitro gecultiveerde huid zijn er diverse toepassingen: snelle hulp bij grote huidwonden zoals bij verbranding of na het verwijderen van tumoren, maar ook ter vervanging van dierproeven in de farmaceutische industrie.

Succes dank zij netwerk

Binnen een projectperiode van vier jaar moest niet alleen het bloedvat worden ontwikkeld, maar ook de technologie die nodig is om de hele huid volledig automatisch te cultiveren. Dat is een extreem ambitieuze uitdaging die alleen kon worden gerealiseerd in een interdisciplinair netwerk. Twintig partners in heel Europa – op het gebied van de ontwikkeling van biomateriaal, weefsel-engineering, freeform-methoden, automatisering en simulatie – verenigden hun krachten, onder leiding van Fraunhofer ILT. De volgende partners waren betrokken bij het project:

• Aalto University
• Albert-Ludwig University of Freiburg
• AO Research Institute Davos
• International Management Services ARTTIC
• Beiersdorf AG
• Berufsgenossenschaftliche Kliniken Bergmannsheil van de Ruhr-Universität Bochum
• Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP
• Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB
• Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT
• Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation IPA
• Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials Iwminnovent e.V. Technology Development Jena
• KMS Automation GmbH
• Medical University of Vienna
• Unitechnologies SA
• University of East Anglia
• Loughborough University
• Institute for Interfacial Engineering and Plasma Technology IGVP, University of Stuttgart
• University of Salerno, Department of Industrial Engineering
• Vimecon GmbH

Op 28 en 29 oktober presenteren de onderzoekers hun resultaten in een workshop in Aken. Belangstellenden die deze workshop willen bijwonen kunnen zich aanmelden via http://www.artivasc.eu/