Ontwikkeling van innovatieve 3D neuro-scaffolds en gerelateerde additieve productietechnieken voor multimateriaal/multifunctioneel printen.

Neurodegeneratieve toestanden vormen een aanzienlijke uitdaging in de moderne geneeskunde, die meer dan 55 miljoen mensen treft, en met een geschatte mondiale kostprijs van 2 biljoen dollar in 2023. Ondanks wetenschappelijke vooruitgang zijn de ingewikkelde interacties tussen neuronale cellen en hun omgeving nog niet volledig begrepen. Op stamcellen gebaseerd in vitro onderzoek is veelbelovend bij het overwinnen van de ethische en fysieke beperkingen van in vivo studies. De reproductie van de complexe 3D zachte biochemische neurale niche is echter nog steeds een ingewikkeld lopend onderzoeksgebied. Geavanceerde microchips, bekend als micro-elektrode-array (MEA), zijn sinds eind jaren zeventig geoptimaliseerd voor neurale monitoring en stimulatie, maar slagen er niet in de 3D in vivo neurale omgeving te reproduceren, omdat ze conventioneel vlakke en stijve interfaces zijn. Hun maatwerk is ook beperkt vanwege de hoge prototypingkosten. Twintig jaar later is neurale weefseltechnologie in de jaren negentig ontstaan als een multidisciplinair veld gericht op het repliceren van deze complexe niche, door middel van 3D-bio-engineered en/of celgestuurde platforms. Er zijn ook complexe brain-on-chip-systemen ontwikkeld, maar alle oplossingen hebben nog steeds beperkingen op het gebied van geschikte biomaterialen, technische resolutie, complexiteit en eenheidsintegratie. In deze context kan het gebied van additive manufacturing (AM) worden benut voor de fabricage van multi-materiaal en multifunctionele, aanpasbare en gepersonaliseerde prototypes, die een hoge flexibiliteit bieden in ontwerp en sensorintegratie. Dit proefschrift richt zich op de ontwikkeling van innovatieve proof-of-concept 3D in vitro neurale bio-elektrische apparaten via AM-technologieën en compatibel met MEA-systemen. Het onderzoekt in het bijzonder het 3D-printen van bio-elektronica in combinatie met MEA en geavanceerde bioprinting als belangrijke bio-engineered technologieën voor de ontwikkeling van een in vitro neuraal verbeterd platform. Het ideale platform zou een 3D zachte biogeprinte neurale constructie moeten integreren bovenop een 3D biogeleidende hybride geprinte MEA. De productiestrategie omvat Aerosol Jet® Printing voor de productie van 3D biogeleidende micro-elektroden geprint op een MEA-chip en spuitextrusie 3D FRESH bioprinting voor de fabricage van de 3D zachte constructie. Specifiek wordt Aerosol Jet® Printing, dat conventioneel wordt gebruikt voor 2D-geprinte elektronica, hier onderzocht voor de ontwikkeling en validatie van innovatieve polymere en metaalgebaseerde 3D biogeleidende micropilaren. Spuit-extrusieprinten wordt vervolgens onderzocht voor de fabricage van 3D-zachte neurale weefsels in een vroeg stadium, beginnend bij laagviskeuze vrijstaande hydrogels tot 3D FRESH-bio-inkten afgedrukt als een 3D-zachte constructie met mesenchymale of neurale lijnen. Materialen, zowel commerciële als nieuwe formuleringen, worden grondig onderzocht en kritisch geanalyseerd op basis van hun functionaliteit. Het belangrijkste is dat hun biocompatibiliteit wordt getest met door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC)-afgeleide neurale stamcellen. Samenvattend wordt aangenomen dat de technologische vooruitgang van dit proefschrift potentieel biedt voor toekomstig onderzoek naar de ontwikkeling van 3D-geïntegreerde biomimetische systemen, toepasbaar in regeneratieve en gepersonaliseerde geneeskunde, ziektemodellering en het testen van medicijnen. De bevindingen reiken ook verder dan het hoofddoel van dit proefschrift, met potentiële toepassingen in lab-on-chips, apparaten voor het oogsten van energie, batterijen en draagbare apparaten.