De met cellen beladen hydrogels vervormen door een verschil in zwelsnelheid (afb: univ. van Illinois)

Materialen die, beheersbaar, van vorm veranderen in de tijd worden 4d-materialen genoemd (de drie ruimtedimensies plus de tijddimensie). Onderzoekers in de VS hebben een 4d-systeem ontwikkeld voor het creëren van biostructuren dat, mogelijk, iets kan betekenen voor de kweek van weefsels en/of organen in het lab.
4d-materialen voor biologische toepassingen waren er al, maar het probleem is dat de celdichtheid daarbij beneden de maat is. Om daar wat aan te doen hebben onderzoekers van de universiteit van Illinois nu een 4d-systeem ontwikkeld, waarbij ze twee soorten (biocompatibele) hydrogels hebben gebruikt die als platen werden vormgegeven. In water vormden die zich om tot buizen. Beide hydrogels kunnen zo’n 100 miljoen cellen per milliliter bevatten. Dat zou in de buurt komen van celdichtheid benodigd voor de kweek van herstelweefsel. “Die celdichtheid bevordert de wisselwerking tussen cellen en kan daarmee de vorming van het weefsel bevorderen”, zegt Eben Alsberg.
Weefselvorming is een zeer dynamisch proces waarbij de positie in het weefsel verantwoordelijk is voor de toekomst van de cellen (in welk type ze veranderen). Het zou dan, is de redenering van de onderzoekers, voordelig kunnen zijn als dat weefsel wordt gekweekt in een systeem dat reageert op vormveranderingen die het weefsel in de tijd ondergaat. Vandaar hun experimenten met zo’n 4d-systeem.

Hydrogels

Alsberg en zijn collega’s gingen ervan uit dat als je hydrogels met verschillende zweleigenschappen in water stapelt je een vierdimensionaal materiaal krijgt dat langzaam verandert naarmate die water opnemen. Door de juiste positionering van de hydrogelplaten is de mate van zwelling, en daarmee de vormverandering, te sturen.

Ze onderzochten eerst de zwelling van twee biocompatibele hydrogels: geoxideerde en gemethacryleerde alginaten (OMA’s) en gemethacryleerde gelatine (GelMA). Onze OMA’s bleken niet heftiger te zwellen dan GelMA, maar dat veranderde door wat scheikundige ingrepen: hoe hoger de oxidatiegraad hoe sneller de gel ontleedt en meer die gel zwelt.
Vervolgens dompelden de onderzoekers een serie tweelaagse OMA/GelMA-platen in een celkweek onder en noteerden de vervorming. In de loop van 21 dagen vervormde elke dubbelplaat zich tot een C, soms sloten die aaneen tot een spiraalvormige structuur. De OMA-laag dicteerde de vormverandering aangezien die laag het water het snelst opneemt. Die vormverandering is te sturen door de dikte van de OMA-laag of de oxidatiegraad van de OMA-gel.
De techniek zou ook zijn te gebruiken in combinatie met fotolithografie of bioprinten. Daarmee zouden dan 4d-gels kunnen worden gevormd met ingewikkelder vormen en vormveranderingen.
Om de invloed van de celdichtheid op de vormverandering te testen werd elke gellaag voorzien van verschillende celdichtheden van bindweefsel- en stamcellen. Het materiaal bleef zijn kunstjes doen, zelfs bij hoge celdichtheden van 100 miljoen cellen/ml. Tot nu toe zijn met dit soort 4d-materialen celdichtheden tot 10 miljoen cellen per ml bereikt. Beide celtypen bleven gedurende de omvormingsperiode van 21 dagen levensvatbaar. De stamcellen bleken ook nog steeds tot rijping in speciale celtypen in staat.

Bron: physicsworld.org