Eingebettetes Bioprinting von gewebeähnlichen Strukturen mit κ-Carrageen-Submikrogel-Medium

Tissue-Engineering-Gerüste, einschließlich elektrogesponnener Fasern, poröser Schwämme und Polymer-Hydrogele, spielen eine zentrale Rolle bei der Reparatur und Rekonstruktion geschädigter Gewebe und Organe, indem sie ein strukturelles Gerüst bieten, das das Zellwachstum, die Geweberegeneration und die Wiederherstellung der Organfunktion unterstützt ^1,2,3. Herkömmliche Gerüste stoßen jedoch auf Herausforderungen bei der genauen Nachbildung nativer Gewebestrukturen, was zu einer Diskrepanz zwischen dem technischen und dem natürlichen Gewebe führt. Diese Einschränkung behindert die effiziente Heilung von defektem Gewebe und unterstreicht die dringende Notwendigkeit von Fortschritten beim Gerüstdesign, um eine genauere Biomimikry zu erreichen. Dreidimensionales (3D) Bioprinting ist eine innovative Herstellungstechnik, die komplexe biologische Gewebestrukturen Schicht für Schicht mit Hilfe von Biomaterialtinten und -zellen präzise konstruiert⁴. Unter den verschiedenen Biomaterialien erweisen sich Polymer-Hydrogele mit ihrem unverwechselbaren Netzwerk, das die In-situ-Verkapselung von Zellen erleichtert und ihr Wachstum entscheidend unterstützt, als ideale Biotinten ^5,6. Nichtsdestotrotz neigen viele weiche und hochhydratisierte Hydrogele dazu, während des Druckprozesses eine Unschärfe oder einen schnellen Zusammenbruch der gedruckten Gerüststrukturen zu induzieren, wenn sie als Biotinten verwendet werden. Um diese Herausforderung zu meistern, verwendet die eingebettete 3D-Bioprinting-Technologie ein Mikrogelbad als Stützmaterial, das eine präzise Abscheidung von weicher Biotinte ermöglicht. Nach der Gelierung der Hydrogel-Biotinten werden durch Entfernen des Mikrogelbads veredelte bionische Gerüste mit komplizierten Strukturen erhalten. Materialien wie Gelatine ^7,8, Agarose⁹ und Gellangummi^10,11 wurden verwendet, um Mikrogelbäder für den eingebetteten 3D-Biodruck herzustellen und die Anwendung von weichen Hydrogelen im Tissue Engineering erheblich voranzutreiben. Die mikrometergenaue und ungleichmäßige Partikelgröße dieser Partikelgele wirkt sich jedoch nachteilig auf die Auflösung und Wiedergabetreue des 3D-Drucks^aus 12,13,14. Es besteht ein dringender Bedarf, einen gelartigen Suspensionsschwimmer mit kleinen und gleichmäßig dispergierten Partikeln herzustellen, der Vorteile bei der Erzielung von High-Fidelity-Bioprinting bietet.

In diesem Protokoll wird ein neuartiges Opfergranulat-κ-Carrageen-Suspensionsbad mit einem einheitlichen Submikron-Gehalt für den eingebetteten 3D-Druck vorgestellt. Dieses innovative Submikrogel-Badverhalten des schnellen Jamming-Unjamming-Übergangs ermöglicht die präzise Herstellung von biomimetischen Hydrogel-Gerüsten mit hoher Strukturtreue¹⁵. Unter Verwendung dieses neuen Suspensionsmediums wird eine Reihe von biomimetischen Gewebe- und Organkonstrukten mit mehrschichtigen Gewebestrukturen erfolgreich gedruckt, wobei eine Komposit-Biotinte aus Gelatinemethacrylat und Seidenfibromethacrylat verwendet wird. In dieser Studie haben wir die Speiseröhre als biomimetisches 3D-Bioprinting-Objekt ausgewählt, vor allem weil die Speiseröhre nicht nur eine mehrschichtige Gewebestruktur aufweist, sondern auch ihre Muskelschicht eine innere kreisförmige und eine äußere longitudinale komplexe Schichtstruktur aufweist. Die Sicherstellung der richtigen Ausrichtung und Organisation dieser Schichten ist für die Regeneration des funktionellen Gewebes unerlässlich. Daher ist es uns ein großes Anliegen, die vielschichtige Architektur der Speiseröhre nachzubilden. Noch wichtiger ist, dass wir κ-Carrageen-Submikrogele als Suspensionsbad und GelMA/SFMA als Biotinte verwendeten, um ein biomimetisches Gerüst für das Tissue Engineering zu entwerfen und zu konstruieren. Die gedruckte Speiseröhre kann durch wiederholtes Waschen mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung leicht gelöst werden. Darüber hinaus ist das κ-Carrageen-Submikrogelbad frei von zytotoxischen Substanzen, was eine hohe Zytokompatibilität gewährleistet¹⁵. Die glatten Muskelzellen, die in anisotropen Gerüsten geladen sind, zeigen eine bemerkenswerte Spreizaktivität. Dieses einheitliche Sub-Mikrogel-Suspensionsmedium bietet einen neuen Weg für die Herstellung komplexer Gewebe und Organe durch eingebetteten 3D-Biodruck.