Technologie
3D Biodruck und Tissue Engineering
3D Biodruck ist ein Verfahren in dem mithilfe spezieller 3D Drucker Gewebemodelle aus zuvor gezüchteten einzelnen Zellen hergestellt werden. Dafür werden zuvor die einzelnen Zellen mithilfe von Standard Zellkulturtechniken massiv vervielfältigt um genug Material für den Biodruck zu erhalten. Anschließend werden die Zellen in verschiedenen Biotinten (auch „Hydrogele“ genannt) eingebettet und 3D-gedruckt.
Um die dreidimensionale Gewebearchitektur im menschlichen Körper möglichst realitätsnah wiederzugeben und die Differenzierung der Zellen zu ermöglichen ist die Zusammensetzung dieser Hydrogele besonders essentiell. Deshalb haben wir eine eigene Produktion von standardisierten Hydrogelen für die Herstellung unserer 3D-gedruckten Gewebe etabliert.
Die 3D Biodruck Core Facility ist mit drei 3D Bio-Druckern und einem 2PP-Nano(bio)drucker ausgestattet: dem 3D Discovery BioSafety (RegenHu) , dem BIO X6 (CELLINK), dem INKREDIBLE+ (CELLINK) und dem NanoOne bio (UpNano).
3D Biodrucker
Das 3D Discovery System ist ein high-end 3D Bio-Drucker, der mit insgesamt vier Druckköpfen ausgestattet ist. Zwei „direct extrusion“ Druckköpfe sind für einen sehr weiten Viskositätsbereich ausgelegt, d.h. es können sowohl niedrig-visköse Hydrogele, als auch hoch-visköse Pasten (Metall, Keramik,…) unter sterilen Bedingungen in 3D gedruckt werden. Die „micro-jet“ Druckköpfe ermöglichen die Einsprühung von in Hydrogel eingebetteten Zellen in sehr feinen Tröpfchen oder den direkten Druck von Nanoliter-Volumina mit feinen Nadeln.
Der BIO X6 ist ein Mikroextrusion Biodrucker mit sechs unabhängigen, beheizten Druckköpfen für niedrig- bis mittel-visköse Bioinks/Hydrogele in einer sterilen Kammer mit HEPA-Filter und UV-Sterilisierung. Die entsprechende Software erlaubt das Design komplexer biologischer 3D Strukturen bei denen unterschiedliche Druckmuster für jeden der sechs Druckköpfe für jede einzelne Schicht definiert werden können. Das System ermöglicht also den Druck von bis zu sechs unterschiedlichen Zelltypen in unterschiedlichen Hydrogelen und in unterschiedlicher Abfolge. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Kopien der Gewebesurrogate im Rahmen eines „High-Throughput“-Verfahrens in multiwell-Platten unter sterilen Bedingungen simultan zu produzieren.
Der INKREDIBLE+ ist ein Mikroextrusion Desktop Drucker mit zwei unabhängigen, beheizten Druckköpfen für niedrig- bis mittel-visköse Bioinks /Hydrogele. Für dieses System konstruierten wir eine temperierte, mikroprozessor-gesteuerte Druckplattform, auf der durch spontane Abkühlung der Bioink entsprechende Zell-beladene 3D Strukturen generiert werden können.
2PP-Nano (bio)printing
Der NanoOne bio ist ein hochauflösender Hochgeschwindigkeits-3D-Drucker der auf der 2-Photon-Polymerization Technologie basiert (2PP-Druck). Bei dieser wird ein ultrakurzer Laserimpuls durch ein Objektiv auf einen räumlich beliebig wählbaren Punkt in einem kompatiblen Harz abgegeben und dieses härtet höchst präzise im Fokuspunkt des Impulses aus. Die Verwendung von Objektiven unterschiedlicher Vergrößerung ermöglicht auf diese Weise den Druck von Strukturen im Größenbereich von Zentimetern bis hin zu Mikrometern mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich. Ein großes Angebot an Harzen die sich bezüglich Transparenz, Aushärtegeschwindigkeit, Autofluoreszenz, Thermostabilität oder Biokompatibilität unterscheiden, lässt uns ein breites Anwendungsspektrum abdecken.
Für den Biodruck ist unser NanoOne des Weiteren mit einer Bio Unit ausgestattet, die eine Umgebung mit kontrollierter Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Gehalt ermöglicht. Hochauflösender 2PP-Druck bis in den Mikrometer-Bereich lässt sich somit auch auf Hydrogele anwenden, die mit lebenden Zellen beladen sind.
Analytische Infrastruktur
FV4000 Confocal
Mit dem Fluoview4000 verfügen wir über ein hochmodernes konfokales Laser-Scanning-Mikroskop. Es ist mit einem neu entwickelten Detektor ausgestattet, der ein sehr niedriges Signal-to-Noise Ratio, eine höhere Sensitivität und eine verbesserte Photonenauflösung bis hin zur Photonenzählung ermöglicht. Mit einer spektralen Detektionswellenlänge von 400-900 nm können wir sichtbare bis nahezu infrarote Fluoreszenzfarbstoffe verwenden und Daten mit hoher spektraler Auflösung bis zu 1 nm erfassen. Eine Laserdioden-gepumpte Phosphorlichtquelle in Kombination mit bis zu sechs Kanälen von Breitband- oder rotverschobenen Detektoren minimiert Phototoxizität und reduziert Autofluoreszenz. Durch eine modulare Kombination ist der parallele Einsatz von bis zu 10 Laserlinien von 405 nm bis 785 nm möglich. Unsere große Auswahl an Objektiven ermöglicht es uns unterschiedliche Proben abzubilden – von fixierten Zellen bis hin zu Live-Cell-Imaging in 2D und 3D. Des Weiteren erlaubt die Wahl zwischen einem klassischen Galvano-Scanner und einem Resonanz-Scanner Aufnahmen in höchstmöglicher Auflösung bis hin zu hochdynamischen zellulären Abläufen bei gleichzeitig minimalster Phototoxizität. Die Clinical Imaging Software ‚CellSens Dimension‘ unterstützt komplexe Analysen wie Colocalization und 6D-Bildaufnahme (XYZ, Fluoreszenzkanäle, Zeit und Stitching).
Keyence LSM
Unsere beiden Keyence VK-X3000 Laserscanning Mikroskope dienen der Betrachtung und Vermessung von Oberflächenstrukturen. Je nach Anwendungsfall werden dafür ein konfokaler Laser im roten oder grünen Wellenlängenbereich oder Fokusvariation in Verbindung mit einem breiten Objektivspektrum von 2,5x bis 150x-facher Vergrößerung eingesetzt.
Dies ermöglicht die Durchführung hochpräziser Messungen und Analysen verschiedener künstlicher oder biologischer Messobjekte mit einer maximalen Auflösung bis in den Nanometerbereich. In der 3D Biodruck Core Facility wenden wir die Laserscanning Mikroskope unter anderem für Vermessungen unserer nanogedruckten Objekte oder 3D gedruckter Gewebeäquivalente an.
ElastoSens Bio Rheometer
Der ElastoSens™ Bio wurde speziell für die Messung der viskoelastischen Eigenschaften von Biomaterialien entwickelt. Die Proben werden auf einer flexiblen Membran gemessen, die Vibrationen ausgesetzt wird. Aus den mit einem Laser gemessenen Membranverschiebungen werden mit mathematischen Modellen die viskoelastischen Eigenschaften der Probe berechnet.
Das ElastoSens Bio ermöglicht die Messung der rheologischen Eigenschaften von Hydrogelen vor und nach der Polymerisation durch Thermo- und Photostimulation. In der 3D Biodruck Core Facility wird das ElastoSens Bio-Rheometer hauptsächlich zur Prüfung der viskoelastischen Eigenschaften und Qualitätssicherung unserer selbst-entwickelten Hydrogele eingesetzt. Darüber hinaus können 3D gedruckte Gewebeäquivalente analysiert, sowie deren Stabilität und Veränderung über lange Zeiträume beobachtet werden.
DxFLEX Durchflusszytometer
Das DxFLEX ist eine Durchflusszytometrie Plattform, die den Einsatz von bis zu drei Lasern und 13 Detektoren ermöglicht. In der 3D Biodruck Core Facility wird eine Reihe von Durchflusszytometrie-Panels für den gleichzeitigen Nachweis und die Analyse verschiedener Zelltypen entwickelt, die in unseren 3D-gedruckten Gewebemodellen enthalten sind. Dazu gehören Epithelzellen, Immunzellen und mesenchymale Zellen wie Fibroblasten, Perizyten oder Endothelzellen. Nach dem Gewebeaufschluss können einzelne Zelltypen anhand von Oberflächen-Biomarkern identifiziert werden. Gleichzeitig können verschiedene Zelleigenschaften wie Viabilität, Seneszenz oder Hypoxie als Reaktion auf Gewebedifferenzierungsprotokolle oder verschiedene Behandlungen analysiert werden.
Tecan Spark Cyto 400
Der TECAN Spark Cyto 400 ist ein Multiwell-Platereader, der Absorption, Fluoreszenz, Lumineszenz und Fluoreszenzpolarisation messen kann. Die Umgebungskontrolle für Temperatur, CO2 und Luftfeuchtigkeit ermöglicht langfristige kinetische Messungen mit lebenden Zellen.
Gleichzeitig dient der Spark Cyto 400 als Imaging-Plattform für Fluoreszenz in 4 verschiedenen Kanälen, Hellfeld- und Phasenkontrastaufnahmen mit drei Vergrößerungsstufen. Damit ist es möglich, verschiedene zellbasierte Assays im Hochdurchsatzverfahren durchzuführen, z.B. die Untersuchung von Zellproliferation, Apoptose, Chemotaxis und Invasion. In der 3D Biodruck Core Facility wird der TECAN Spark Cyto 400 für die Beobachtung des Wachstums und der Differenzierung unserer 3D-biogedruckten Gewebe über die Zeit verwendet.
Axiovert 200M fluorescence microscope (Zeiss)
qPCR MIC Magnetic Induction Cycler
