모방의 창조 3D 세포 배양을위한 두 구성 요소 히드로 겔에 대한 Thermoresponsive 역 금형 인쇄
Summary
bioprinter는 희생 형에 따라 패턴 하이드로 겔을 만드는 데 사용되었다. 폴록 사머 형은 두 번째 히드로 겔로 채워질 그리고 세 번째 하이드로 겔로 채워졌다 빈 공간을 남겨 용출되었다. 이 방법은 생체 고분자의 복잡한 구조를 생성하는 빠른 용출과 폴록 사머의 좋은 인쇄 적성을 사용합니다.
Abstract
Bioprinting은 신속한 프로토 타입 산업에서 그 기원을 가지고 새로운 기술입니다. 다른 인쇄 공정은 접촉 bioprinting 1-4 (압출, 딥 펜과 소프트 리소그래피), 비접촉식 bioprinting 5-7 (레이저 앞으로 전송, 잉크 제트 증착)와 같은 두 개의 광자 광중합 8로 레이저 기반 기술로 나눌 수 있습니다. 그것은 등 다른 세포 유형 17의 공동 배양의 영향으로 기본적인 생물 학적 질문에 대답하는 등 조직 공학 9-13, 바이오 센서 미세 14-16로와 도구로 많은 응용 프로그램을 사용할 수 있습니다. 일반적인 포토 리소그래피 나 소프트 리소그래피 방법과는 달리, 압출 bioprinting은 별도의 마스크 나 스탬프를 필요로하지 않는 장점이 있습니다. CAD 소프트웨어를 사용하여 구조의 설계를 신속하게 운영자의 요구 사항에 따라 변경 및 조정될 수있다. 이 리소그래피 기반의보다 유연 bioprinting합니다방법.
여기에 우리가 예를 들어 하이드로 겔 내에서 기둥의 배열을 사용하여 다중 소재 3D 구조를 만들려면 희생 금형의 출력을 보여줍니다. 이 기둥은 신경 가이드 도관 내의 혈관 네트워크 또는 튜브에 대한 중공 구조를 나타낼 수 있습니다. 희생 형을 위해 선택된 재료는 폴록 사머 407, 4에 액체 우수한 인쇄 특성을 가진 thermoresponsive 폴리머이었다 ° C 및 겔화 온도 이상으로 고체 ~ 20 ° C 24.5 % W / V 솔루션 18. 이 속성은 폴록 사머 기반의 희생 금형 수요에 용출 될 수 있으며, 특히 좁은 형상에 대한 고체 물질의 느린 분해에 장점이 있습니다. 폴록 사머를 희생 금형을 만들 현미경 유리 슬라이드에 인쇄되었다. 아가는 금형에 피펫 및 겔화 될 때까지 냉각 하였다. 얼음 냉수에있는 폴록 사머의 용출 한 후, 아가로 오스 금형 보이드 알지네이트 메타 크릴 레이트 SP로 가득 차 있었다FITC 표시 피브리노겐과 iked. 채워진 빈 공간은 다음 UV와 교차 연결되었고, 구조는 에피 형광 현미경으로 몇 군데 있었다.
Introduction
조직 공학 접근 방법은 인간의 조직과 장기 19,20의 재생과 관련하여 지난 몇 년 동안 많은 진전을 만들었습니다. 그러나, 지금까지 조직 공학의 초점은 종종 단순한 구조 또는 방광 21,22 또는 피부를 23-25으로 작은 치수가 조직에 한정되어있다. 인간의 몸은, 그러나, 세포와 세포 외 기질이 공간적으로 정의 된 방식으로 배열되어 많은 복잡한 3 차원 조직을 포함하고 있습니다. 이러한 조직을 제조하는 기술은 특정 위치에서 3 차원 구조 내에서 세포와 세포 외 기질 발판을 배치 할 수 있어야합니다. Bioprinting는 제조 복잡한 3 차원 조직의 비전 10,11,26-28을 실현 할 수있는 그런 기술이 될 가능성이있다.
Bioprinting은 패터닝 소재 전송 프로세스의 사용 "으로 정의 생물학적으로 상대를 조립합니다evant 재료 – 분자, 세포, 조직, 생분해 성 생체 -. 하나 이상의 생물학적 기능 "4 달성하기 위해 소정의 조직과 그것은 여러 가지 기술을 포함 두 개의 서브 마이크론 해상도에 이르기까지 서로 다른 해상도 및 길이의 비늘에서 작동하는 압출 인쇄 1,12,30위한 420 μM ~ 150 ㎛의 해상도 광자 중합 29. 아니 하나의 재료 또는 재료의 조합이 각각의 방법 (31)의 요구 사항을 만족시킬 것이다. 압출 인쇄의 주요 매개 변수는 점도 겔화 시간이다 높은 점도와 빠른 겔화가 바람직하다 32.
3D 프린팅은 복잡한 형상에게 30,33,34를 만들기위한 희생 금형 쉽게 만들 수있는 기술입니다. 이 과정은 압출 bioprinter 등 신속한 프로토 타이핑 기술을 사용하여 금형의 구조를 기반으로합니다. 만든 희생 형이 사용됩니다그들의 낮은 점도와 느린 겔화 시간으로 인해 인쇄하기 어려운 물질로부터 복잡한 구조를 형성한다. 여기에 제시된 방법은 낮은 온도에서 빠르게 용해하고 정확하게 압출 될 수있는 물질로 이루어진 희생 곰팡이의 생성을 포함한다. 블록 공중 합체 폴리 (에틸렌 글리콜) 99 – 폴리 (프로필렌 글리콜) 67 – 폴리 (에틸렌 글리콜) 99 (또한 플루로 닉 F127 또는 폴록 사머 407라고도 함) 이러한 요구 사항을 충족. 그것은 이미 우리의 지식, 액체 환경에서의 불안정성으로 인해 수정되지 않은 버전의 인쇄에 사용 된 적이 있으며, 압출 인쇄 1 수정 버전에서 사용되었지만. 폴록 사머 407도 반전 열 반응 문제 18 즉, 냉각시 보솔 겔에서이 변화를 보여줍니다. 가장 중요한 것은, 그것은 매우 높은 충실도 복잡한 임의의 곡선 구조로 인쇄 할 수 있습니다. 이렇게하면에서 구조화 된 하이드로 겔의 생성저점도 물질이 경우 느린 겔 아가, 인쇄 희생 금형에 솔루션을 피펫 있습니다. 높은 충실도와 주조 구조화 된 하이드로 젤로부터 빠른 용출 그것은 마스크 또는 자주 리소그래피 방법에서 요구되는 스탬프를 사용하지 않고 다른 형상으로 금형을 만들 수있는 빠르고 유연한 방법을 만들어 함께 희생 형 인쇄의 조합. 주조 구조화 된 하이드로 젤은 더욱 낮은 점도로 인해 압출 인쇄에 적합하지 않은 다른 물질로 채워질 수있다. 이것은 우리의 경우 저점도 알긴산 메타 크릴 레이트 솔루션입니다. 여기에 우리가 기둥 배열의 예제를 사용하여 하이드로 겔 패턴에 대한 thermoresponsive 역 희생 금형의 방법을 제시한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 우리가 처음 제시 빠르게 때문에 ~ 20 ° C의 폴록 사머의 젤 – 졸 전환 차가운 물에 용출 될 수있는 희생 금형 thermoresponsive 폴리머의 사용 전체 프로세스의 속도가 적절한 해상도로 인쇄 할 수 없습니다 생체 고분자 구조의 빠른 생성을위한 폴록 사머 재미 있습니다. 여기에 설명 된 기술은 다른 하이드로 겔 내에서 또는 이전에 다른 물질 35에 대해보고 되었기 때문에 미세 유체 채널…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 bioprinter에 도움 데보라 STUDER 감사합니다.
작품은 부여 계약을 N에 따라 유럽 연합의 일곱 번째 프레임 워크 프로그램 (FP7/2007-2013) ° NMP4-SL-2009-229292에 의해 투자되었다.
Materials
| REAGENTS | |||
| Poloxamer (Pluronic F127) | Sigma | P2443 | |
| PBS | Invitrogen | 10010-015 | |
| CAD software | regenHU | BioCAD | |
| Alginate methacrylate | Innovent e.V Technologieentwicklung Jena | Synthesized by Innovent for the FP7 Project Nr NMP4-SL-2009-229292 | |
| Fibrinogen From Human Plasma, Alexa Fluor 488 Conjugate | Invitrogen | F13191 | |
| Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) | Innovent e.V Technologieentwicklung Jena | Synthesized by Innovent for the FP7 Project Nr NMP4-SL-2009-229292 | |
| Agarose | Lonza | 50004 | |
| EQUIPMENT | |||
| Bioprinter | regenHU | Biofactory | |
| Valve | regenHU | 300 μm Nozzel Diameter | |
| Needle | regenHU | 150 μm Inner Diameter | |
| Zeiss Axioobserver with ApoTome | Zeiss | ||
| UV Light Source | UVP | Blak-Ray B-100AP High Intensity UV Lamp | 100 W |
References
- Fedorovich, N. E., et al. Evaluation of photocrosslinked Lutrol hydrogel for tissue printing applications. Biomacromolecules. 10, 1689-1696 (2009).
- Lee, K. B., Park, S. J., Mirkin, C. A. Protein nanoarrays generated by Dip-Pen Nanolithography. Abstr Pap Am Chem S. 223, C94 (2002).
- Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. Soft lithography in biology and biochemistry. Annual review of biomedical engineering. 3, 335-373 (2001).
- Mironov, V., Reis, N., Derby, B. Review: bioprinting: a beginning. Tissue engineering. 12, 631-634 (2006).
- Odde, D. J., Renn, M. J. Laser-guided direct writing of living cells. Biotechnology and bioengineering. 67, 312-318 (2000).
- Derby, B. Bioprinting: inkjet printing proteins and hybrid cell-containing materials and structures. J Mater Chem. 18, 5717-5721 (1039).
- Therriault, D., White, S. R., Lewis, J. A. Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly. Nature. 2, 265-271 (2003).
- Engelhardt, S., et al. Fabrication of 2D protein microstructures and 3D polymer-protein hybrid microstructures by two-photon polymerization. Biofabrication. 3, 025003 (2011).
- Mironov, V. Printing technology to produce living tissue. Expert opinion on biological therapy. 3, 701-704 (2003).
- Mironov, V., Kasyanov, V., Drake, C., Markwald, R. R. Organ printing: promises and challenges. Regenerative medicine. 3, 93-103 (2008).
- Mironov, V., Kasyanov, V., Markwald, R. R. Organ printing: from bioprinter to organ biofabrication line. Current opinion in biotechnology. 22, 667-673 (2011).
- Fedorovich, N. E., De Wijn, J. R., Verbout, A. J., Alblas, J., Dhert, W. J. Three-dimensional fiber deposition of cell-laden, viable, patterned constructs for bone tissue printing. Tissue engineering. Part A. 14, 127-133 (2008).
- Dhariwala, B., Hunt, E., Boland, T. Rapid prototyping of tissue-engineering constructs, using photopolymerizable hydrogels and stereolithography. Tissue engineering. 10, 1316-1322 (2004).
- Cook, C., Wang, T., Derby, B. Inkjet Printing of Enzymes for Glucose Biosensors. Mater Res Soc Symp P. 1191, 103-109 (2009).
- Cui, X., Gao, G., Qiu, Y. Accelerated myotube formation using bioprinting technology for biosensor applications. Biotechnol Lett. , 1-7 (2012).
- Wang, T. M., Cook, C., Derby, B. Fabrication of a Glucose Biosensor by Piezoelectric Inkjet Printing. , 82-85 (2009).
- Shim, J. H., Lee, J. S., Kim, J. Y., Cho, D. W. Bioprinting of a mechanically enhanced three-dimensional dual cell-laden construct for osteochondral tissue engineering using a multi-head tissue/organ building system. J. Micromech. Microeng. 22, (2012).
- Malmsten, M., Lindman, B. Self-Assembly in Aqueous Block Copolymer Solutions. Macromolecules. 25, 5440-5445 (1021).
- Cebotari, S., et al. Clinical application of tissue engineered human heart valves using autologous progenitor cells. Circulation. 114, I132-I137 (2006).
- Matsumura, G., Hibino, N., Ikada, Y., Kurosawa, H., Shin’oka, T. Successful application of tissue engineered vascular autografts: clinical experience. Biomaterials. 24, 2303-2308 (2003).
- Kropp, B. P., Zwischenberger, J. B. Tissue-engineered autologous bladders: new possibilities for cystoplasty. Nature clinical practice. Urology. 3, 588-589 (2006).
- Oberpenning, F., Meng, J., Yoo, J. J., Atala, A. De novo reconstitution of a functional mammalian urinary bladder by tissue engineering. Nature. 17, 149-155 (1999).
- Wood, F. Tissue engineering of skin. Clinics in plastic surgery. 39, 21-32 (2012).
- Groeber, F., Holeiter, M., Hampel, M., Hinderer, S., Schenke-Layland, K. Skin tissue engineering–in vivo and in vitro applications. Clinics in plastic surgery. 39, 33-58 (2012).
- Bannasch, H., Momeni, A., Knam, F., Stark, G. B., Fohn, M. Tissue engineering of skin substitutes. Panminerva medica. 47, 53-60 (2005).
- Jakab, K., Neagu, A., Mironov, V., Forgacs, G. Organ printing: fiction or science. Biorheology. 41, 371-375 (2004).
- Boland, T., Mironov, V., Gutowska, A., Roth, E. A., Markwald, R. R. Cell and organ printing 2: fusion of cell aggregates in three-dimensional gels. The anatomical record. Part A, Discoveries in molecular, cellular, and evolutionary biology. 272, 497-502 (2003).
- Mironov, V., et al. Organ printing: tissue spheroids as building blocks. Biomaterials. 30, 2164-2174 (2009).
- Raimondi, M. T., et al. Two-photon laser polymerization: from fundamentals to biomedical application in tissue engineering and regenerative medicine. Journal of applied biomaterials. 10, 56-66 (2012).
- Miller, J. S., et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nature. 11, 768-774 (2012).
- Billiet, T., Vandenhaute, M., Schelfhout, J., Van Vlierberghe, S., Dubruel, P. A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering. Biomaterials. 33, 6020-6041 (2012).
- Murphy, S. V., Skardal, A., Atala, A. Evaluation of hydrogels for bio-printing applications. Journal of biomedical materials research. Part A. 101, 272-284 (2013).
- He, J., Li, D., Liu, Y., Gong, H., Lu, B. Indirect fabrication of microstructured chitosan-gelatin scaffolds using rapid prototyping. Virtual and Physical Prototyping. 3, 159-166 (2008).
- Sachlos, E., Reis, N., Ainsley, C., Derby, B., Czernuszka, J. T. Novel collagen scaffolds with predefined internal morphology made by solid freeform fabrication. Biomaterials. 24, 1487-1497 (2003).
- Lee, W., et al. On-demand three-dimensional freeform fabrication of multi-layered hydrogel scaffold with fluidic channels. Biotechnology and bioengineering. 105, 1178-1186 (2010).
- Turturro, M., Christenson, M., Larson, J., Papavasiliou, G. Matrix metalloproteinase (MMP) sensitive PEG diacrylate (PEGDA) hydrogels with spatial variations in matrix properties direct vascular cell invasion. J. Tissue. 6, 302-302 (2012).
- Butterworth, A., Garcia, M. D. L., Beebe, D. Photopolymerized poly(ethylene) glycol diacrylate (PEGDA) microfluidic devices. Roy. Soc. Ch. , 4-6 (2005).
- Shachar, M., Tsur-Gang, O., Dvir, T., Leor, J., Cohen, S. The effect of immobilized RGD peptide in alginate scaffolds on cardiac tissue engineering. Acta biomaterialia. 7, 152-162 (2011).
- Jeon, O., Bouhadir, K. H., Mansour, J. M., Alsberg, E. Photocrosslinked alginate hydrogels with tunable biodegradation rates and mechanical properties. Biomaterials. 30, 2724-2734 (2009).
- Mauck, R. L., et al. Functional tissue engineering of articular cartilage through dynamic loading of chondrocyte-seeded agarose gels. J. Biomech. Eng-T Asme. 122, 252-260 (2000).
- D’Arrigo, G., et al. Hyaluronic acid methacrylate derivatives and calcium alginate interpenetrated hydrogel networks for biomedical applications: physico-chemical characterization and protein release. Colloid Polym. Sci. 290, 1575-1582 (2012).
- Pescosolido, L., et al. Hyaluronic Acid and Dextran-Based Semi-IPN Hydrogels as Biomaterials for Bioprinting. Biomacromolecules. 12, 1831-1838 (2011).
- Guo, Y., et al. Hydrogels of collagen/chondroitin sulfate/hyaluronan interpenetrating polymer network for cartilage tissue engineering. J. Mater. Sci-Mater. M. 23, 2267-2279 (2012).
