Novel multiscale structuring techniques for 3D biomimetic scaffolds applied to bone tissue models.

Når farmasøytiske midler eller kirurgi ikke kan kurere sykt eller skadet kroppsvev, må vi se til nye metoder. Ved å kombinere forskningsfeltene vevteknologi og biomaterialer kan nye, innovative løsninger tilby alternativer for helbredelse eller regenerering av tapte kroppsfunksjoner. Ved nye materialer eller instrumenter, må disse sikkerhetstestes dersom de skal tas i bruk i menneskekroppen. Det første steg vil være å utøve celleeksperimenter, og dersom resultatene fra være lovende, vil det være naturlig å fortsette med dyreforsøk. Dessverre har det seg slik at forsøk gjort på celler, dyr og for så på mennesker ikke alltid korrelerer. Videre forskningsarbeid knyttet til nye funn som er tiltenkt behandling av sykdommer/skader er derfor ofte veldig komplisert, tidkrevende, dyrt, samt villedende i noen tilfeller. Av disse årsakene ligger det et overhengende behov for utvikling av nye typer celleforsøk som korrelerer bedre med effekten i menneskekroppen. Kanskje kan slike metoder til og med erstatte dyreforsøk fullstendig i fremtiden. Et av hovedårsakene til at celleforsøk ikke fungerer som tiltenkt, er at celleforsøk i hovedsak utføres i form av 2D kulturer. Dette er i sterk motstridig til hvordan celler fungerer naturlig i kroppen der de har friheten til å leve i 3D. Hovedfokuset i dette prosjektet blir derfor å utvikle en ny platform for celleforsøk som baseres på å gro celler i en 3D kultur, slik at en mer naturlig omgivelse for cellene kan imiteres og benvev vil tas som utgangspunkt i dette studiet. Teknologien har blitt etablert av hovedforskeren ved NTNU som kan benyttes til å strukturere myke og harde materialer i 3D. I disse materialene kan forskjellige celletyper kombineres for å danne syntetisk struktur som imiterer fysiske og biologiske egenskaper til bein. Strukturene kommer til å designes på en måte som tillater videre karakterisering ved bruk av forskjellige teknikker og dermed gi muligheten til å utvide vårt repertoar av kroppsmodeller på laboratoriet. Til dags dato har vi bygget 3D-strukturer som er nødvendige for å dyrke celler og utviklet strategier for å hente prøvene for videre analyser. Arbeidet er nå fokusert på å utvide modellens kompleksitet slik at flere celletyper kan inkluderes og en mer realistisk struktur oppnås

We have described how collagen fibrogenesis can be controled in alginate gels and alginate gel microbeads. We have described the effect of collagen component on bone relevant cells encapsulated in the alginate-collagen interpenatrating networks (IPN). We have furthermore showed that microbeads made from these IPN?s can be incorporated in bulk collagen gels and that selective de-gelling of the alginate can be used to release cells in a controlled manner. These results contribute to the field of biopolymer based scaffolds for bone tissue engineering.

There is currently much scientific interest in developing advanced biomaterials for tissue engineering and regenerative medicine to replace lost biological function following disease or trauma. This is a rapidly growing field of research that seeks to use combinations of implanted cells, biomaterials, and biologically active molecules to repair or regenerate damaged tissues. A significant hurdle to application of this essential research field is the necessary and extensive in vitro testing prior to in vivo animal testing before human trials can even be considered. Often there is little correlation between in vitro and in vivo results, largely because in vitro testing takes place in 2D cell cultures under simulated physiological conditions which fail to replicate the complexity of the in vivo environment. Therefore the development process can be protracted and expensive and this problem represents a significant opportunity to design an early stage in vitro testing platform which better mimics the in vivo environment. Last year the PI made a significant breakthrough which enables precise control over hydrogel gelling kinetics. This invention enables microscale structures to be made in materials that closely resemble the natural extracellular matrix. This project aims at applying this novel technique to create hierarchically structured composite scaffolds with cells. A modular design principle will be applied to control the local chemical and biological environment, facilitate the facile combining of various cell types in the same system and provide gradients of culture conditions and mechanical properties which will in turn allow easier characterisation by a variety of approaches, in an attempt to create an in vitro testing platform for bone related tissue engineering biomaterials and cancer drug development studies.