Biomateriały na bazie dECM i biodrukowanie 3D w inżynierii tkankowej

O Laboratorium

Laboratorium Biotechnologii Stosowanej (LAB) w Centrum NanoBioMedycznym Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu koncentruje się na nowatorskich, interdyscyplinarnych badaniach na styku biologii, chemii oraz nauki o materiałach. Działalność LAB koncentruje się na opracowywaniu innowacyjnych technologii oraz ich praktycznym zastosowaniu w medycynie i biotechnologii. Główny obszar badań obejmują inżynierię tkankową i biodruk 3D w tym: formulacje innowacyjnych biomateriałów i zastosowanie nanomateriałów m.in. w regeneracji łąkotki i skóry.

Interdyscyplinarnym zespołem kieruje Prof. Jakub Dalibor Rybka, MBA, Dyrektor CNBM, a w skład wchodzą specjaliści: dr Adam Mieloch – biodruk 3D i nanomateriały; dr inż. Filip Porzucek – preparacja i analiza biomolekuł, formulacja biomateriałów; dr inż. Monika Mańkowska-Woźniak – NGS i analizy biologiczne; dr Piotr Cywoniuk – inżynieria genetyczna, hodowle komórkowe 3D; dr Tomasz Szymański – nanomateriały i zaawansowane metody obrazowania.

Czym jest biodruk 3D?

Biodruk 3D to zaawansowana technologia umożliwiająca wytwarzanie trójwymiarowych struktur biologicznych poprzez warstwowe nakładanie biomateriałów, zwanych biotuszami (bioinks). W odróżnieniu od klasycznego druku 3D, w którym używa się plastiku lub metalu, ideą biodruku 3D jest połączenie komórek z biologicznymi, hydrożelowymi materiałami nośnikowymi - np. z macierzą zewnątrzkomórkową (ECM) pozyskiwaną z tkanek zwierzęcych. Technologia ta pozwala na tworzenie implantów, rusztowań oraz organoidów, które mogą być wykorzystywane w medycynie regeneracyjnej, testowaniu leków oraz badaniach biologicznych.

Zastosowania biodruku 3D

• Regeneracja tkanek i narządów – wytwarzanie rusztowań wspierających odbudowę uszkodzonych tkanek np. skóry czy chrząstki.
• Modele do badań przedklinicznych – testowanie leków i toksyczności na realistycznych modelach tkankowych.
• Spersonalizowana medycyna – tworzenie implantów i rusztowań dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta i zawierających autologiczne komórki

Metody biodruku 3D

W LAB stosuje się dwie metody biodruku 3D:

Druk ekstruzyjny

Druk ekstruzyjny jest jedną z najczęściej stosowanych metod w biodruku 3D. Polega na wyciskaniu (ekstruzji) biotuszu przez wąską dyszę, warstwa po warstwie, zgodnie z zaprojektowanym modelem 3D. Biotusz zawiera komórki oraz hydrożel oraz inne składniki wspierające regenerację tkanek. Metoda ta pozwala na drukowanie struktur o złożonej architekturze i wysokiej zawartości komórek, co jest kluczowe dla uzyskania funkcjonalnych tkanek.

Druk SLA (stereolitografia) w biodruku 3D

SLA (stereolitografia) to technika druku 3D oparta na fotopolimeryzacji ciekłych materiałów pod wpływem światła UV. W kontekście biodruku 3D, stosuje się fotoutwardzalne hydrożele, modyfikowane chemicznie przez metakrylację. Proces polega na selektywnym utwardzaniu warstw biotuszu światłem, co pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej rozdzielczości i precyzyjnych struktur.

Zdecelularyzowana ECM z tkanek zwierzęcych w biodruku 3D

Macierz zewnątrzkomórkowa (ECM) to mieszanina białek i polisacharydów, która stanowi naturalne środowisko dla komórek w tkankach. W biodruku 3D coraz częściej wykorzystuje się ECM pozyskiwaną ze zwierzęcych tkanek, która po procesie decelularyzacji staje się biozgodnym materiałem wspierającym regenerację tkanek.

Decelularyzacja polega na usunięciu wszystkich komórek z tkanki zwierzęcej, pozostawiając jedynie strukturę białkową i polisacharydową. Dzięki temu minimalizuje się ryzyko reakcji immunologicznych po implantacji. Tak przygotowana ECM, wzbogacona o komórki i inne składniki, stanowi doskonały biotusz do biodruku 3D, wspierając regenerację i odbudowę uszkodzonych tkanek.

W LAB zajmujemy się obecnie opracowywaniem rozwiązań do regeneracji łąkotki i skóry

Regeneracja łąkotki

W kontekście naprawy łąkotki, Laboratorium Biotechnologii Stosowanej prowadzi badania nad nowatorskimi podejściami łączącymi biodruk 3D z biologią komórkową. Do tej pory zrealizowano dwa projekty badawcze o charakterze aplikacyjnym:

• LIDER „MeniScaff 3D – biodrukowane, trójwymiarowe rusztowania wzmacniane nanorurkami węglowymi, stymulujące chondrogenezę mezenchymalnych komórek macierzystych do regeneracji łąkotki”
• TECHMATSTRATEG „Opracowanie bioatramentów do biodruku 3D na bazie chemicznie modyfikowanej zdecelularyzowanej macierzy zewnątrzkomórkowej (dECM) pochodzenia świńskiego, wzbogaconej o rekombinowane białka hybrydowe, nanomateriały i polimery syntetyczne”

Efektem tych prac są liczne publikacje naukowe oraz trzy zgłoszenia patentowe:

• „Biotusz na bazie macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) izolowanej ze świńskiej łąkotki, sposób jego przygotowania oraz zastosowanie modelu łąkotki do biodruku 3D”
• „Sposób otrzymywania zdecelularyzowanej macierzy zewnątrzkomórkowej izolowanej z tkanek ssaków oraz jej zastosowanie w medycynie regeneracyjnej”
• „Biotusz, sposób jego wytwarzania i zastosowanie do biodruku łąkotki”

Dodatkowo, LAB ściśle współpracuje z profesorem Tomaszem Piontkiem oraz RehasportClinic, co umożliwia efektywną integrację wyników badań z praktyką kliniczną.

Biodruk 3D w regeneracji skóry – leczenie trudno gojących się ran i oparzeń

Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań biodruku 3D jest regeneracja skóry, zwłaszcza w przypadku trudno gojących się ran, owrzodzeń czy rozległych oparzeń. Dzięki biodrukowi możliwe jest tworzenie warstwowych modeli skóry, które odtwarzają zarówno naskórek, jak i skórę właściwą, a także zawierają komórki wspierające gojenie. Korzyści to Indywidualne dopasowanie do kształtu rany pacjenta, Przyspieszone gojenie dzięki obecność komórek i bioaktywnych składników przyspiesza proces regeneracji oraz zmniejszenie ryzyka bliznowacenia. Biodruk 3D skóry znajduje zastosowanie w leczeniu pacjentów z przewlekłymi ranami, oparzeniami, a także w chirurgii rekonstrukcyjnej.

LAB, w ramach finansowanie przyznawanego przez ID-UB UAM, pracuje nad opracowaniem światłoutwardzalnego biotuszu na bazie ECM pozyskanego z tkanek świńskich, dedykowanego do regeneracji skóry.

Podsumowanie

Laboratorium Biotechnologii Stosowanej (LAB) w Centrum NanoBioMed AMU prowadzi pionierskie badania nad biodrukiem 3D, wykorzystując zaawansowane metody, takie jak druk ekstruzyjny i SLA, oraz innowacyjne materiały, w tym zdecelularyzowaną i metakrylowaną ECM. Rozwijane technologie mają ogromny potencjał w regeneracji tkanek, w tym skóry i łąkotki, oferując nowe możliwości leczenia pacjentów z trudnymi do wyleczenia urazami.

Kontakt

Masz pytania? Chcesz nawiązać współpracę? Zapraszamy do kontaktu!

Prof. Jakub Dalibor Rybka: jrybka@amu.edu.pl (kierownik laboratorium)

Dr Adam Mieloch: a.mieloch@amu.edu.pl (główny badacz)