Встраиваемая биопечать тканеподобных структур с использованием субмикрогелевого носителя κ-каррагинана

Тканевые инженерные каркасы, включая электропрядущие волокна, пористые губки и полимерные гидрогели, играют ключевую роль в восстановлении и реконструкции поврежденных тканей и органов, обеспечивая структурную основу, поддерживающую рост клеток, регенерацию тканей и восстановление функции органов ^1,2,3. Тем не менее, традиционные каркасы сталкиваются с проблемами точного воспроизведения нативных тканевых структур, что приводит к несоответствию между искусственными и естественными тканями. Это ограничение препятствует эффективному заживлению дефектных тканей, подчеркивая настоятельную необходимость совершенствования конструкции каркаса для достижения более точной биомимикрии. Трехмерная (3D) биопечать — это инновационная технология производства, которая точно создает сложные биологические структуры тканей слой за слоем с использованием чернил и клеток биоматериала⁴. Среди различных биоматериалов полимерные гидрогели являются идеальными биочернилами благодаря своей характерной сети, которая облегчает инкапсуляцию клеток in situ и, что особенно важно, поддерживает их рост ^5,6. Тем не менее, многие мягкие и высокогидратированные гидрогели имеют тенденцию вызывать размытие или быстрое разрушение печатных структур каркаса в процессе печати при использовании в качестве биочернил. Чтобы решить эту проблему, встроенная технология 3D-биопечати использует микрогелевую ванну в качестве поддерживающего материала, что позволяет точно наносить мягкие биочернила. После гелеобразования гидрогелевых биочернил путем удаления микрогелевой ванны получают очищенные бионические каркасы со сложной структурой. Такие материалы, как желатин ^7,8, агароза⁹ и геллановая камедь^10,11, были использованы для создания микрогелевых ванн для встроенной 3D-биопечати, что значительно продвинуло применение мягких гидрогелей в тканевой инженерии. Тем не менее, микронный уровень и неоднородный размер частиц этих гелей отрицательно влияют на разрешение и точность 3D-печати 12,13,14. Существует острая необходимость в изготовлении гелеобразной суспензионной суспензии с мелкими и равномерно диспергированными частицами, обеспечивающими преимущества в достижении высокой точности биопечати.

В этом протоколе представлена новая ванна с суспензией κ-каррагинана из жертвенного гранулята с равномерным субмикронным уровнем для встраиваемой 3D-печати. Это инновационное поведение субмикрогелевой ванны с быстрым переходом от заклинивания к расклиниванию облегчает точное изготовление биомиметических гидрогелевых каркасов с высокой структурной точностью¹⁵. С использованием этой новой суспензионной среды успешно печатается серия биомиметических тканей и конструкций органов с многослойными тканевыми структурами с использованием композитных биочернил, состоящих из метакрилата желатина и фиброкакрилата шелка. В этом исследовании мы выбрали пищевод в качестве биомиметического объекта 3D-биопечати в основном потому, что пищевод не только имеет многослойную тканевую структуру, но и его мышечный слой демонстрирует внутреннюю круглую и внешнюю продольную сложную слоистую структуру. Обеспечение правильного выравнивания и организации этих слоев имеет важное значение для функциональной регенерации тканей. Поэтому мы очень хотим воспроизвести многослойную архитектуру пищевода. Что еще более важно, мы использовали субмикрогели κ-каррагинана в качестве суспензионной ванны и GelMA/SFMA в качестве биочернил для проектирования и создания биомиметического каркаса для тканевой инженерии. Напечатанный пищевод может быть легко освобожден путем многократного промывания фосфатно-солевым буфером. Кроме того, субмикрогелевая ванна с κ-каррагинаном не содержит цитотоксических веществ, что обеспечивает высокую цитосовместимость¹⁵. Гладкомышечные клетки, загруженные в анизотропные каркасы, проявляют заметную расширяющую активность. Эта однородная субмикрогелевая суспензионная среда открывает новые возможности для изготовления сложных тканей и органов с помощью встроенной 3D-биопечати.