Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

5 Labore, die 3D-Druck für Biohacking-Projekte verwenden

Die ursprüngliche Version dieses ArtikelsPrototyping mit lebenden Zellen,lief als Tranche in einer Reihe über den Stand des Biohacking von Biohacking Safari. Die Version unten erscheint in Machen: Vol. 56.


Die größte Brücke zwischen der Welt der Hersteller und der Welt der Biohacker ist wahrscheinlich der mächtige 3D-Drucker. Der Hauptunterschied besteht darin, anstelle von Kunststoffen Biomaterialien zu verwenden, um dreidimensionale Strukturen aufzubauen, und spezielle Bio-Verbindungen aus lebenden Zellen zum Drucken von Botschaften und Mustern.

Humane Zellen, kultiviert in einer dezellularisierten Apfelscheibe (links) und einem in eine Ohrform geschnitzten Apfel (rechts) von Pelling Labs. Foto durch Bonnie Findley

Wie BioCurious mit dem Bioprinting begonnen hat

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BioCurious ist ein zwingender Stopp bei Biohacker-Gemeinschaften in Nordamerika. Dieser bahnbrechende Raum in Sunnyvale, Kalifornien, beherbergt eine Reihe großartiger Leute, die im DIY-BioPrinter-Projekt zusammenarbeiten. Ihr Bioprinting-Abenteuer begann im Jahr 2012, als sie ihre ersten Meetups hatten. Laut Patrik D'haeseleer, der das Projekt zusammen mit Maria Chavez leitet, suchten sie nach Gemeinschaftsprojekten, die neue Leute in den Raum bringen und schnell zusammenarbeiten könnten. Keiner der Projektleiter hatte eine spezielle Bioprinting-Anwendung im Auge, und er verfügte auch nicht über Vorkenntnisse zur Herstellung dieser Art von Drucker. Trotzdem schien es eine ziemlich ansprechbare Technologie zu sein, mit der die Leute spielen könnten.

„Sie können einfach einen handelsüblichen Tintenstrahldrucker mitnehmen. Nehmen Sie die Tintenpatronen und schneiden Sie die Oberseite im Wesentlichen ab. Leere die Tinte aus und stecke etwas anderes hinein. Jetzt können Sie damit drucken “, erklärt D'haeseleer.

Die BioCurious-Gruppe begann mit dem Bedrucken großer Kaffeefilter und ersetzte die Tinte durch Arabinose, einen natürlichen Pflanzenzucker. Dann legen sie das Filterpapier auf eine Kultur von E. coli-Bakterien, die genetisch so verändert wurden, dass sie in Gegenwart von Arabinose ein grün fluoreszierendes Protein bilden. Die Zellen begannen genau dort zu glühen, wo Arabinose gedruckt wurde.

Die Änderung von kommerziellen Druckern zu diesem Zeitpunkt stellte Herausforderungen dar. „Möglicherweise müssen Sie den Druckertreiber zurückentwickeln oder die Papierverarbeitungsmaschinen demontieren, um das tun zu können, was Sie möchten“, sagt D'haeseleer.

Erster großer Erfolg mit BioCurious ’150 $ DIY BioPrinter: fluoreszierender E. coli, gedruckt auf Agar mit einem Tintenstrahldruckkopf. Foto von Patrik Dʼhaeseleer

Die Gruppe entschied sich daher, ihren eigenen Bioprinter von Grund auf zu bauen. Ihre zweite Version verwendet Schrittmotoren von CD-Laufwerken, eine Tintenpatrone als Druckkopf und einen Open-Source-Arduino-Schild, um ihn anzutreiben - einen DIY-Bioprinter für nur 150 US-Dollar, den Sie bei Instructables finden können.

Die nächste und immer noch aktuelle Herausforderung beschäftigt sich mit der Konsistenz der Tinte. Kommerzielle Patronen arbeiten mit Tinte, die ziemlich wässrig ist. Bioink erfordert jedoch ein gelartigeres Material mit hoher Viskosität. Die DIY BioPrinter-Gruppe hat mit verschiedenen Spritzenpumpenkonstruktionen experimentiert, die es ihnen ermöglichen würden, kleine Mengen viskoser Flüssigkeit durch den „Bio-Druckkopf“ zu injizieren.

Der frühe Drucker von BioCurious: Spritzenpumpen für 11 USD, die auf einer Plattform aus DVD-Laufwerken montiert sind. Foto von Patrik Dʼhaeseleer

Umstellung auf 3D

Mit einer bereits vorhandenen 3D-Plattform zu beginnen, schien der beste Weg, um über 2D-Muster hinauszugehen. Die Gruppe versuchte zunächst, den vorhandenen 3D-Drucker zu modifizieren, indem ein Bio-Druckkopf direkt darauf hinzugefügt wurde. Ihre kommerzielle Maschine erforderte jedoch einige schwierige Reverse-Engineering- und Software-Modifikationen, um den Prozess zu perfektionieren. Nach einigen Monaten führte dies zu einer Sackgasse.

Die RepRap-Familie der 3D-Drucker beeinflusste den nächsten Schritt. Nach dem Kauf eines erschwinglichen Open-Source-Druckersets konnte das Bioprinting-Team den Kunststoff-Extrusionsdruckkopf gegen einen Druckkopf mit flexiblen Schläuchen austauschen, die an einen Satz stationärer Spritzenpumpen angeschlossen waren. Es funktionierte.

Konvertierung eines RepRap in die neueste 3D BioPrinter-Plattform von BioCurious mit einer Open Syringe-Pumpe. Foto von Maria Chavez

„Die RepRap-Community hat wirklich die gesamte Revolution des 3D-Drucks möglich gemacht“, sagt D'haeseleer.

Schon bald gab es eine Community rund um 3D-Bioprinting, Basteln zu Hause und in Biohackerspaces wie BioCurious, BUGSS und Hackteria, die alle ihre Experimente teilten.

Mit dem Leben arbeiten

Der heilige Gral des Bioprintings erzeugt 3D-Organe für Transplantate. Das Arbeiten mit menschlichen oder Säugerzellen ist komplex. Sie müssen jeden Tag jemanden im Labor haben, der sich um die Zellen kümmert und alles so steril wie möglich hält. Aufgrund dieser Hindernisse besteht das derzeitige langfristige Projekt der BioPrinter-Gruppe darin, ein funktionsfähiges Pflanzenorgan zu entwickeln, das die Richtigkeit der Funktionsfähigkeit belegt, und es zur Photosynthese zu bringen. Dies wird ein künstliches Blatt sein!

Es wurde nicht viel mit Pflanzenzellen gearbeitet, wodurch viele offene Wege für die Forschung geschaffen wurden. Sie müssen herausfinden, welche Art von Zelltypen Sie verwenden, wie sie miteinander verbunden werden sollen, wie eine 3D-Struktur eines Blattes aussieht, usw. Laut D'haeseleer passt der 3D-Druck mit Pflanzenzellen viel besser zu einer Baumarktgemeinschaft Labor als tatsächliche Säugetierzellen.

Ob es funktioniert oder nicht, hier besteht das Interesse daran, Dinge zu testen und zu sehen, wie sie wachsen. Eine kommerzielle Anwendung ist nicht der einzige Zweck für Biohacker, auch wenn einige Wissenschaftler vom Potenzial ihrer Forschung ein wenig überfordert sind.

„Wir sind nicht sehr zielorientiert, als wollten wir aus Bioprint ein Startup machen und ein Produkt verkaufen, Millionen von Dollar verdienen… Es gibt nicht viele Pflanzen, die verzweifelt Blatttransplantationen benötigen! Wir beteiligen uns an diesem Projekt, weil es Spaß macht. Wir machen Woche für Woche Fortschritte “, sagt D'haeseleer.

Bioprinting 3D mit Pflanzenzellen

Beim Drucken mit Pflanzenzellen ist der erste Schritt das Herausfinden des Materials, in dem die Zellen gehalten werden, bis sie wachsen und Verbindungen herstellen. Einige aktuelle Experimente bei BioCurious verwenden ein gelartiges Material namens Alginat, das sehr interessante Eigenschaften aufweist. Natriumalginat ist in Wasser löslich, aber viskos, während sich Calciumalginat sofort verfestigt. Es ähnelt den Sphärifizierungstechniken der Lebensmittelwissenschaft, bei denen ein fester Tropfen im Inneren mit Flüssigkeit gefüllt ist (diese kalte Öl-Sphärifizierungstechnik, die Sie als Bruschetta-Topping verwenden können).

Testen von Alginat als vielversprechende, DIY-fähige und zugängliche Bioink bei BioCurious. Foto von Maria Chavez

Derzeit werden mehrere Spritzenpumpenkonstruktionen getestet, die den gleichen Vergleich verwenden: Eine Spritzenpumpe enthält die Zellen in einer Alginatlösung und die zweite enthält Kalziumchlorit. Wenn die beiden Materialien in Kontakt kommen, verfestigt sich die Struktur. Dann drucken Sie tatsächlich einen Körper mit eingebetteten Zellen. Die Optimierung ist in Arbeit.

Eine weitere Herausforderung ist die Entscheidung, welcher Zelltyp benötigt wird. „Sollten wir zuerst alle Zellen unterscheiden und die Zellen dort drucken, wo wir glauben, dass sie gehen sollen? Sollten wir undifferenzierte Zellen und Wachstumsfaktoren gleichzeitig drucken, um sie in situ differenzieren und neu anordnen zu können? “Die Frage ist noch offen für D'haeseleer. Die DIY-Gruppe experimentierte mit verschiedenen Zelltypen und empfahl die Verwendung von Karottenzellen nicht wie üblich. Diese Stammzellen sind undifferenziert, was bedeutet, dass sie unter guten Bedingungen zu unterschiedlichen Zelltypen führen können, die jedoch häufig kontaminiert sind.

Klecks aus handextrudiertem geschichtetem Alginatgel, hergestellt von BioCurious. Foto von Maria Chavez

Andere Gruppen arbeiten am Bioprinting

BUGSS - Baltimore

Nahaufnahme eines Fotopolymerdrucks, der mit dem biokompatiblen Harz von BUGGS hergestellt wurde. BUGGS

Baltimore Underground Science Space baut derzeit eine Plattform namens 3DP.BIO, die Wissenschaftler, Ingenieure und Designer zusammenbringen soll, um Forschung und Entwicklung zu beschleunigen. Sie konzentrieren sich auf Harzdrucker und entwickeln die Steuerungssoftware zusammen mit einem biokompatiblen Harz, das zum Erstellen von 3D-Gerüsten für das Zellwachstum verwendet werden kann.

London Biohackspace

JuicyPrint verwendet G. hansenii und Saft, um aus Bakterienzellulose nützliche Formen herzustellen. Foto von Alasdair Allan

Die JuicyPrint-Maschine von London Biohackspace druckt mit dem Gluconacetobacter hansenii, einem leicht anziehbaren Bakterium, das Fruchtsaft als Nahrungsquelle verwendet. G. hansenii produziert eine Schicht aus bakterieller Cellulose, einem starken und außerordentlich vielseitigen Biopolymer. Die Bakterien wurden jedoch genetisch so verändert, dass sie unter Lichtquellen keine Cellulose produzieren können. Durch das Aufleuchten unterschiedlicher Lichtmuster auf aufeinanderfolgende Schichten der Kultur kann die Struktur des Endprodukts manipuliert werden, wodurch nützliche Formen aus Zellulose entstehen.

Pelling Lab

Pelling Labs "Apple-Ohren" während des Dezellularisierungsprozesses. Foto von Andrew Pelling

Eine andere Möglichkeit, Gewebe oder Organe zu züchten, wäre die Verwendung einer bereits vorhandenen 3D-Struktur als Gerüst für Zellen. Andrew Pelling beschreibt den Prozess: „Sie schneiden einen Apfel, waschen ihn in Wasser und Seife und sterilisieren ihn dann. Was übrig bleibt, ist ein feines Netz aus Zellulose, in das Sie menschliche Zellen injizieren können - und diese wachsen. “Sein Labor tut dies nun, um menschliche Ohrprototypen zu entwickeln.

Counter Culture Labs

Das Geisterherz der Counter Culture Labs hat nur Bindegewebe - das gesamte Zellmaterial wird entfernt. Foto von Patrik D'haeseleer

Warum 3D-Druck, wenn Sie bereits geformte Formulare verwenden können? Ein Beispiel dafür ist das überraschende Beispiel eines Schweineherzprojekts von Oakland, den kalifornischen Counter Culture Labs.

Sie schaffen es, indem sie alle Zellen eines Spenderorgans - eines Schweineherzens - ausreißen und nur das Bindegewebe zurücklassen, um daraus ein "Geisterorgan" zu machen. Die Idee ist dann, sie mit den Zellen, die sie wachsen lassen möchten, neu zu füllen.

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