Forschung & Entwicklung

Sauerstoffmessung in künstlichem Bioprinting-Gewebe

In Biomaterialien eingebettete lebende Zellen benötigen Sauerstoff. Eine optische Messmethode bestimmt den lokalen Sauerstoffgehalt und -verbrauch und lässt Rückschlüsse auf die Qualität der Biotinte zu.

Forscher arbeiten weltweit intensiv an der Entwicklung von Methoden des Bioprinting, also dem 3-D-Druck von in Biomaterialien eingebetteten Zellen, mit dem Ziel, menschliche Gewebe künstlich herzustellen. Problematisch dabei ist die Versorgung der Zellen im Inneren solcher Konstrukte; ein Mangel zum Beispiel an Sauerstoff führt zu deren schnellen Absterben. Ein Forscherteam der TU Dresden um Professor Michael Gelinsky entwickelte gemeinsam mit Kollegen von der Universität Kopenhagen eine neue Methode, die eine zerstörungsfreie Messung der lokalen Sauerstoffkonzentration in solchen künstlichen Geweben erlaubt.

Damit kann der Sauerstoffgehalt in der unmittelbaren Umgebung solcher Zellen über die Zeit ermittelt werden. Diese Methode erlaubt auch die Untersuchung des Sauerstoffverbrauchs durch die Zellen – je vitaler und aktiver die Zellen sind, umso mehr Sauerstoff verbrauchen sie. Zellen der Bauchspeicheldrüse, die Insulin produzieren, oder sich zu Knochenzellen differenzierende Stammzellen haben beispielsweise einen sehr hohen Sauerstoffverbrauch.

Mit der neu entwickelten Methode kann sehr schnell und effizient getestet werden, ob neue Materialien für das Bioprinting, sogenannte Bioinks oder Biotinten, die Vitalität und Funktion der eingebetteten Zellen in geeigneter Weise unterstützen und eine ausreichende Durchlässigkeit für Sauerstoff aufweisen, oder ob sich eingebettete Stammzellen in die gewünschte Zellsorte entwickeln.

Das Messprinzip basiert auf zerstörungsfreier, optischer Messtechnik: Den Biotinten (Hydrogelmaterialien) werden kleine Nanopartikel zugesetzt, die die Zellen nicht stören. Bei Anregung mit blauem Licht emittieren diese rotes Licht, dessen Leuchtintensität abhängig von der umgebenden Sauerstoffkonzentration ist: Je mehr Sauerstoff, desto niedriger ist die Intensität. Das ausgesendete Licht kann mit einer Kamera aufgenommen werden und somit entsteht ein Abbild der räumlichen Verteilung des Sauerstoffs im künstlichen Gewebe. Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten lässt die Entwicklung über die Zeit bestimmen.

von mg

Originalveröffentlichung:
[E. Trampe, K. Koren, A. R. Akkineni, C. Senwitz, F. Krujatz, A. Lode, M. Gelinsky und M. Kühl, Functionalized Bioink with Optical Sensor Nanoparticles for O2 Imaging in 3D-Bioprinted Constructs, Adv. Funct. Mater. (2018), DOI: 10.1002/adfm.201804411]

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