Ingebedde bioprinting van weefselachtige structuren met behulp van κ-carrageen sub-microgelmedium

Weefselmanipulatiesteigers, waaronder elektrogesponnen vezels, poreuze sponzen en polymeerhydrogels, spelen een cruciale rol bij het herstel en de reconstructie van beschadigde weefsels en organen door een structureel kader te bieden dat celgroei, weefselregeneratie en het herstel van de orgaanfunctie^{ondersteunt1,2,3}. Traditionele steigers ondervinden echter uitdagingen bij het nauwkeurig repliceren van inheemse weefselstructuren, wat leidt tot een mismatch tussen de gemanipuleerde en natuurlijke weefsels. Deze beperking belemmert de efficiënte genezing van defecte weefsels, wat de dringende noodzaak benadrukt van vooruitgang in het steigerontwerp om een nauwkeurigere biomimicry te bereiken. Driedimensionaal (3D) bioprinten is een innovatieve productietechniek die complexe biologische weefselstructuren laag voor laag nauwkeurig construeert met behulp van biomateriaalinkten en cellen⁴. Onder de verschillende biomaterialen komen polymeerhydrogels naar voren als ideale bioinks met hun onderscheidende netwerk dat in situ inkapseling van cellen vergemakkelijkt en hun groei cruciaal ondersteunt ^5,6. Desalniettemin hebben veel zachte en sterk gehydrateerde hydrogels de neiging om tijdens het printproces vervaging of snelle ineenstorting van geprinte steigerstructuren te veroorzaken wanneer ze als bio-inkten worden gebruikt. Om deze uitdaging aan te gaan, maakt ingebedde 3D-bioprinttechnologie gebruik van een microgelbad als ondersteunend materiaal, waardoor nauwkeurige afzetting van zachte bioinkt mogelijk is. Na gelering van de hydrogel-bioinks worden verfijnde bionische steigers met ingewikkelde structuren verkregen door het microgelbad te verwijderen. Materialen zoals gelatine ^7,8, agarose⁹ en gellangom^10,11 zijn gebruikt om microgelbaden te maken voor ingebedde 3D-bioprinten, waardoor de toepassing van zachte hydrogels in weefselmanipulatie aanzienlijk wordt bevorderd. Het micronniveau en de niet-uniforme deeltjesgrootte van deze deeltjesgels hebben echter een nadelige invloed op de resolutie en getrouwheid van 3D-printen 12,13,14. Er is dringend behoefte aan het fabriceren van een gelachtige suspensiedrijver met kleine en gelijkmatig verspreide deeltjes, die voordelen biedt bij het bereiken van high-fidelity bioprinting.

In dit protocol wordt een nieuw opofferingsgranulaat κ-carrageen suspensiebad met een uniform submicronniveau gepresenteerd voor ingebed 3D-printen. Dit innovatieve sub-microgelbadgedrag van snelle overgang van vastlopen naar vastlopen vergemakkelijkt de nauwkeurige fabricage van biomimetische hydrogelsteigers met een hoge structurele getrouwheid¹⁵. Met behulp van dit nieuwe suspensiemedium wordt met succes een reeks biomimetische weefsel- en orgaanconstructies met meerlaagse weefselstructuren geprint, waarbij gebruik wordt gemaakt van een samengestelde bioink bestaande uit gelatinemethacrylaat en zijdefibromethacrylaat. In deze studie kozen we de slokdarm als het 3D-bioprintende biomimetische object, voornamelijk omdat de slokdarm niet alleen een meerlagige weefselstructuur heeft, maar ook omdat de spierlaag een interne cirkelvormige en externe longitudinale complexe gelaagdheidsstructuur vertoont. Zorgen voor een goede uitlijning en organisatie van deze lagen is essentieel voor functionele weefselregeneratie. Daarom willen we de meerlagige architectuur van de slokdarm nabootsen. Wat nog belangrijker is, we gebruikten κ-carrageen sub-microgels als het suspensiebad en GelMA/SFMA als de bioink om een biomimetische steiger voor weefselmanipulatie te ontwerpen en te bouwen. De geprinte slokdarm kan gemakkelijk worden losgelaten door herhaaldelijk met fosfaat gebufferde zoutoplossing te wassen. Bovendien is het κ-carrageen sub-microgelbad vrij van cytotoxische stoffen, wat zorgt voor een hoge cytocompatibiliteit¹⁵. De gladde spiercellen die in anisotrope steigers zijn geladen, vertonen een opmerkelijke verspreidende activiteit. Dit uniforme sub-microgel suspensiemedium biedt een nieuwe weg voor de fabricage van complexe weefsels en organen door middel van ingebed 3D-bioprinten.