Kagesprøjter og cellulose – sådan vil forskere lave 3D-printede muskler

At kunne 3D-printe muskler lyder næsten helt Frankenstein-agtigt, men det er ikke desto mindre det, som forskere fra blandt andet Danmark Tekniske Universitet (DTU) arbejder på at kunne gøre.

Formålet for forskerne er, at de vil udvikle teknologien til at kunne printe både raske og syge muskler til at studere for eksempel metaboliske sygdomme i – blandt andet hvordan muskler opfører sig, når de bliver udsat for træning, og hvad der skal til for at inducere insulinresistens.

Nu er forskerne kommet et skridt tættere på at realisere drømmen.

I et nyt studie viser forskerne fra DTU, at de ved at blande levende celler med cellulose-nanofibre kan skabe den struktur, der skal til for at lave rigtige muskelfibre.

"Ambitionen er at udvikle en platform til at kunne 3D-printe og dyrke muskelceller til brug i laboratorieforsøg, hvor vi skal bruge muskler med helt specifikke egenskaber. Nu kan vi vise, at vi kan få cellerne til at vokse retningsbestemt på samme måde som naturlige muskelfibre, og i fremtiden er sigtet også at kunne integrere andre celletyper i vores 3D-print, så vi med tiden kan skabe et mere kompliceret væv, der minder mere om en naturlig muskel," fortæller en af forskerne bag studiet, lektor og gruppeleder Johan Ulrik Lind fra DTU Sundhedsteknologi.

Forskningen er offentliggjort i ACS Applied Materials and Interfaces.

Celler skal opføre sig naturtro

Når forskere vil 3D-printe levende væv, skal de først og fremmest bruge en bioprinter.

Bioprintere bruger en blanding af levende celler og strukturelle biomaterialer, som blandes sammen og sprøjtes ud til den ønskede struktur af noget, det minder mest om en lille kagesprøjte.

Vil forskerne som eksempel lave en muskel, fortæller de 3D-printeren, hvordan musklen skal se ud, og så skaber printeren netop den struktur.

Nuvel, det lyder måske mere simpelt, end det egentlig er. Cellerne skal nemlig kunne vokse og gro på det strukturelle biomateriale på en måde, der er sammenlignelig med det, som sker i kroppen.

Her har forskere i lang tid kæmpet med at udvikle et biomateriale, som får de tilknyttede celler til at opføre sig, som cellerne helst skal gøre for at danne noget, der virker naturligt.

"Når det drejer sig om muskler, skal de for eksempel gerne vokse langs med nogle fibre, så de selv ender med at danne muskelfibre, som vi kender dem fra muskler i mennesker. Men vokser muskelcellerne på fibre, der er for store eller for små, danner de ikke relevante muskelfibre, hvilket påvirker musklernes funktion og relevans," forklarer Johan Ulrik Lind.

Laver strukturfibre af plantemateriale

I det nye studie har forskerne udviklet en helt ny type af cellulose-nanofibre, som de har benyttet i kombination med muskelceller til at 3D-printe muskler.

Cellulose er den mest almindelige biopolymer på planeten og udgør størstedelen af alt plantemateriale fra stængler og stammer til grene og blade.

De cellulose-nanofibre, som forskerne har udviklet, er fremstillet ved selektivt at nedbryde de mikrofibre og makrofibre, der findes i plantemateriale.

Makrofibrene er de store tråde, som man kan se, når man kløver et stykke brænde, og de består af mindre fibre, der igen består af endnu mindre fibre.

Muskelceller er opbygget på samme måde.

"Cellulose nedbryder vi til en størrelse, hvor det ligner kollagen, der er musklers strukturmolekyle. Det kan vi gøre meget billigt, hvilket gør cellulose attraktivt i forhold til bioprinting," siger Johan Ulrik Lind.

Cellulose-nanofibre har de helt rigtige egenskaber

I studiet viser forskerne, at deres cellulose-nanofibre har nogle egenskaber, som gør dem interessante i forhold til at bioprinte muskler.

For det første orienterer nanofibrene og mikrofibrene sig i forhold til den retning, som blandingen af cellulose og muskelceller bliver sprøjtet i. Det vil sige, at i takt med at muskelcellerne vokser, bliver de forlænget på langs af en flowlinje.

Det betyder også, at cellerne kan fusionere og danne lange muskelfibre, hvilket er netop det, som forskerne ønsker i deres 3D-print, idet det efterligner rigtige muskler.

Johan Ulrik Lind fortæller, at der er to årsager til, at nanofibrene er interessante i forhold til bioprint.

• For det første giver nanofibrene nogle strukturelle ledetråde til cellerne. Nanofibrene er dermed hverken for store eller for små i forhold til at guide vækstretningen på muskelcellerne til muskelfibre. Cellulose har samtidig en blød struktur som gelatine, der er godt at forme i 3D, uden at materialet er for solidt, og så kan muskelceller godt lide at sidde fast på cellulose.
• For det andet er cellulose flydende nok, til at forskerne kan putte det i deres sprøjte i 3D-printeren. Man skal forestille sig, at man i en kagesprøjte godt kan sprøjte kagecreme eller flødeskum ud i en forudbestemt form, men at det formentlig vil være ret besværligt at gøre med koldt smør eller for den sags skyld mælk. Cellulose har den helt rigtige viskositet.

"Vi kan dermed styre processen og retningen på muskelfibrene, hvilket er vigtigt, hvis man vil lave store muskelfibre til at studere i laboratoriet. I vores forsøg har vi indtil videre set, at vi kan give musklerne fornuftige karakteristika, hvilket vi har valgt at gå videre med i vores forskning fremadrettet," fortæller Johans Ulrik Lind.

Udviklingen af cellulose-nanofibrene er kun et lille skridt i retning af ambitionen om at lave virkelighedstro muskler.

Fremadrettet vil forskerne arbejde videre med deres platform for på sigt at kunne skabe naturtro muskler, med alt hver dertil hører af andre celletyper, blodkar, motorneuroner, osv.

"Og så skal vi også arbejde med at finde ud af, hvordan vi kan påvirke deres funktion, for eksempel ændre deres metabolisme, så de kan blive relevante modeller for studier af for eksempel fedtforbrænding, insulinresistens eller overvægt," siger Johan Ulrik Lind.