Verfahren zum 3D-Druck von Gerüsten auf Alginatbasis

Im ersten Monat des Jahres 2022 haben wir uns auf Alginat-Hydrogele konzentriert, die im Bereich des Tissue Engineering und bei der Wirkstoffabgabe zum Einsatz kommen. Wie bereits in dem Erstveröffentlichung zu diesem Thema, Alginat wird üblicherweise als Bio-Tinte im 3D-Bioprinting verwendet, um je nach Anwendungszweck 3D-Strukturen (Gerüste) herzustellen, die Zellen oder bioaktive Moleküle enthalten. Eine besondere Eigenschaft von Alginatlösungen ist ihre Fähigkeit, in Gegenwart von Ionen (z. B. Ca²⁺) schnell zu vernetzen (d. h. ihre Moleküle miteinander zu verbinden), was zu einem kohäsiven Hydrogel führt, das in verschiedenen Formen hergestellt werden kann. Ihre endgültigen mechanischen Eigenschaften lassen sich (zumindest bis zu einem gewissen Grad) durch Variation der bei der Herstellung verwendeten Komponenten anpassen.

In der zweiten Veröffentlichung Im Januar 2022 wurden Alginat-Hydrogele mit CaCl₂-Lösungen in unterschiedlichen Konzentrationen und mit schrittweise ansteigenden Einwirkzeiten vernetzt. Das Verständnis des Verhaltens einer bestimmten Formulierung während der Vernetzung – wie beispielsweise der Initiierungszeit und der Gelierungsgeschwindigkeit – sowie der potenziellen Quell- und Schrumpfvorgänge im Zusammenhang mit diesem Gelierungsprozess ist von entscheidender Bedeutung für eine optimierte Versuchsplanung, insbesondere im Hinblick auf den 3D-Druck.

Für das 3D-Extrusionsdruckverfahren wurden zahlreiche Methoden entwickelt, um 3D-Strukturen aus Alginat zu drucken. Alginatlösung weist eine relativ geringe Viskosität auf, und um sie in reiner Form drucken und anschließend vernetzen zu können, ist eine aufwendige Optimierung des Protokolls erforderlich. So verfügen beispielsweise die Hersteller von Bio-Tinten über detaillierte Protokolle, die für den Druck ihrer Bio-Tinten in einer bestimmten Konzentration innerhalb des von ihnen empfohlenen Bereichs hinsichtlich Druckgeschwindigkeit, Extrusionsdruck, Düsengröße, Temperatur und anderer Parameter entwickelt wurden. Ein Beispiel hierfür ist das Alginat, das in einem unserer veröffentlichten Anwendungshinweise verwendet wird. . Cellink hat eine detaillierte Protokoll für den Druck ihres Bio-Tintens in ihren Extrusions-3D-Druckern.

Für den Fall, dass ein Protokoll zum Drucken mit reiner Alginatlösung nicht ohne Weiteres verfügbar oder nur schwer zu beschaffen ist, wurden auch verschiedene Methoden entwickelt, um deren niedrige Viskosität zu überwinden. Zu den beschriebenen Methoden gehören (Abschnitt A in Abbildung 1) die Vorvernetzung der Alginatlösung im Spritzenzylinder mit CaCl₂-Lösung für bis zu 30 Minuten vor dem Drucken [1,2], (Abschnitt B in Abbildung 1) die Verwendung einer koaxialen Nadel, bei der sich Alginat bzw. CaCl₂-Lösung im Mantel und im Kern befinden, um eine schnelle Vernetzung zu erreichen, sobald die Lösungen während des Druckvorgangs aus der Nadel austreten [3], sowie – sehr häufig – (Abschnitt C in Abbildung 1) das Mischen mit anderen Biomaterialien wie Gelatine, Agar, PEG und anderen, um die unmittelbare Druckbarkeit zu verbessern [4].