Bioprinting kıkırdak ve cilt doku analogları bir roman pasif birimi teknik Bioink Precellularization için karıştırma kullanmak
Summary
Kıkırdak ve cilt analogları nanocellulose-aljinat dayalı bioink kullanarak bioprinted vardı. Bioinks bir tek adım pasif karıştırma ünitesi üzerinden yazdırmadan önce cellularized. Yapıları düzgün cellularized, yüksek canlılık var ve farklılaşma olumlu işaretleri sergilemek için gösterdi.
Abstract
Bioprinting yapıları doku mühendisliği uygulamaları için hızlı ve tekrarlanabilir imalatı için güçlü bir tekniktir. Bu çalışmada, kıkırdak ve cilt analogları birimi teknik karıştırma bir roman pasif kullanan bioink pre-cellularization sonra fabrikasyon. Bu teknik bir hücre süspansiyon çok viskoz bir bioink karıştırma adımları kolaylaştırmak amacı ile geliştirilmiştir. Bioprinting yatırılır filamentler çözünürlüğe tekdüzelik hücre dağıtım bölgeleri hücre olmadan birikimi veya iğne yapışmasına neden olabilir büyük hücre kümeleri saklama önlemek için yazdırmadan önce güvence gerektirir. Biz hızla bir hücre süspansiyon kıkırdak ve cilt analogları bioprinting önce bir bioink ile karıştırmak için yeteneğini göstermek. Her iki doku analogları 4 haftaya kadar kültürlü. Hücre canlılığı ve doku belirli hücre dışı Matriks (ECM) işaretlerini glikozaminoglikan (gag) ve kollajen gibi birikimi histolojik analiz gösterdi ben sırasıyla.
Introduction
Son yıllarda, üç boyutlu (3D) bioprinting teknoloji araştırmacılar, daha yaygın olarak doku analogları imalatı için kullanılan olmak için teknik izin için daha erişilebilir hale geldi. Bioprinting Biyomedikal Araştırma çok yönlü doku yapıları, hızlı ve yinelenebilir imalat kolaylaştırarak devrim vaat ediyor. Bioprinting teknoloji dönüm noktası tam olarak (bioinks da bilinir) Biyomalzeme birikimi kontrol yeteneği üç boyutlu olarak bırakır. Bu karmaşık iskele üretimi ile matris besteleri, biyoaktif faktörleri ve daha doğru bir şekilde yerel doku yapısı özetlemek hücreleri farklı bölgelerinde sağlar.
Bioprinting yapıları kıkırdak1, Cilt2, kas3ve kemik4dahil olmak üzere birçok doku uygulamaların imalatı için kullanılmıştır. Bu doku bioprinting nedeniyle kendi içsel çizgili mikro-tekrarlama yoluyla katman katman ifade için uygun olan mimarileri için caziptir. Özellikle, deri imalat bioprinting gibi katman katman ifade teknikleri için uygun olan bir iyi tanımlanmış çok katmanlı yapısı5, sahip olur. Ayrıca, bioprinting gerekli anatomik boyutları sahip yapıları oluşturmak için kullanılması gereken ve doku onarımı için şekiller defekt. Biyomalzeme hasta özel boyut ve şekil6 ile oluşturma yeteneği de dahil olmak üzere birçok dokuların kısmi onarım için talep adrese başlayabilirsiniz ancak bunlarla sınırlı olmamak kemik defektleri, kıkırdak hasarı ve deri lezyonları olan ölçüde değişir hasta hasta.
Bu çalışmada, iki doku analogları (eklem kıkırdak ve cilt) pre-cellularized bioinks bioprinting ile fabrikasyon. Bir bioink süre hücre canlılığı koruyarak bir meydan okuma olabilir tek tip hücre dağıtım emin olabilirsiniz hücre süspansiyon ile yeterli karıştırma sağlanması. Bioinks bioprinting yolu ile ekstrüzyon için uygun çoğu kez çok viskoz ve bu nedenle homojen bir karışım sağlamak için kapsamlı karıştırma gerektirir. Hücrelere mekanik hasar sert karıştırma koşullar altında ortaya ve canlılığı olumsuz etkiler. Çalışmalar çoğu hücre ölümü mürekkep püskürtmeli baskı işlemi sırasında7,8karıştırma gibi hazırlık sırasında oluşur göstermiştir. Geleneksel ajitasyon9 ile karıştırma düşük viskozite bioinks mürekkep püskürtmeli baskı10için uygun için yeterli olsa da, hücrelerin yüksek viskozite bioink karıştırma ekstrüzyon bioprinting için daha uygun daha zordur. Bu ihtiyaç adresleme, püskürtme uçlarını karıştırma kullanımı bioinks sırasında yazdırma işlemi11karıştırma için daha popüler hale geldi. Bu mikserler da yaygın olarak önemli12nerede sıvıları düşük Reynolds sayısı ile karıştırma havacilik araştırmada kullanılmıştır. Bir hücre süspansiyon bir bioink karıştırmak için sürekli bir karıştırma işlemi kullanımı bütünlüğü için yazdırma işlemi sırasında izin vermez. Ancak, hücre süspansiyonlar Düşük viskoziteli bir bioink için karşılaştırıldığında sahip beri zorluklar yazdırma işlemi9,13,14sırasında sedimantasyon hücrelerin önlemede ortaya çıkacak. Alternatif olarak, hücrelerin yazdırmadan önce bir bioink içine karıştırma bu sorunu ele.
Hücre ölümü bir bioink karıştırma sırasında en aza indirmek için hücreleri adım en az sayısında bir bioink içine karıştırmak için pasif bir karıştırma birim dayalı bir teknik geliştirmiştir. Malzemeleri karıştırma birimi aracılığıyla akış ile oluşturulan kaotik karıştırma tekrarlanarak karışım iki bileşen birlikte15,16için yeterlidir. Bu yöntem öncelikle ekstrüzyon bioprinting için uygun herhangi bir bioink ile herhangi bir hücre süspansiyon karıştırma basitleştirmek için geliştirilmiştir. Karıştırma işlemi adım sayısını karıştırma kullanıcıdan kullanıcıya varyasyon ortadan kaldırmak için simge durumuna küçültülmüş. Özellikle hücreleri söz konusu olduğunda aşırı karıştırma adımları zaman alıcı ve tüm bioinks için geçerli değildir olabilir. İkincil, kısırlık korumak hem de örnek kaybı en aza indirmek için kendi kendine yeten bir karıştırma işlemi geliştirmek amaçlanmıştır.
Bu makale, bir hücre süspansiyon işleme en aza indirir ve yüksek hücre canlılığı ve üniforma dağıtım sonuçları birimi teknik karıştırma bir pasif kullanarak bir bioink ile karıştırma göstermektedir. Bu pre-cellularized bioinks sonra bir kıkırdak veya cilt oluşturmak sırasıyla 6 haftaya kadar kültürlü bir ya da iki hücre türleri, bioprint için kullanılmaktadır. Kullanılan bioink daha önce bioprinting1için uygunluk göstermiştir bir aljinat-nanocellulose karışımıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu el yazması gösterildiği gibi pre-cellularized bioinks bioprinted ya da kıkırdak imal veya 4 haftaya kadar kültürlü analogları cilt için vardı. Birimi teknik karıştırma pasif kullanarak karıştırma sonra hücre canlılığı geleneksel karıştırma yöntemleri yüksekti. Ayrıca, karıştırma birimini kullanarak karıştırma işlemi basitleştirilmesi adımlar işleme sayısını en aza indirir ve karıştırma ölçüde daha iyi tutarlılık sağlar. Sonuçta, her iki hücre dağıtım ve yapıları ve deneysel grupları arasında bioink içinde daha iyi tekrarlanabilirlik sonuçlanır. ECM bileşenleri GAGs ve kollajen gibi belirli doku birikimi kıkırdak ve cilt analogları için kültür sırasıyla 4 hafta sonra gözlendi. Bu karıştırma tekniği ve farklı doku hedefleri imal etmek seçilmiş yapı geometri esnekliğini gösterir. Kıkırdak ve cilt analogları imalatı her iki nanocellulose-aljinat bioink ve kullanımı bioprinting tekniği farklı mühendislik doku hedefleri için esneklik sergiledi. Çalışmanın sonuçları aşağıdaki iki bileşeni ele alınacak: (1 pasif birimi teknik ve kıkırdak ve cilt analogları içindeki hücreleri (2 davranışını karıştırma.
Geliştirilmesi ve optimizasyonu için bir bioink bir hücre süspansiyon karıştırma bir teknik bu yapıları imalatı için fevkalade. Geleneksel düşük viskozite hidrojel malzemesi, tehdit yazdırmadan önce bir bioink pre-cellularization altında bioinks yüksek viskozite sonuçlandı. Bir bioink içine hücre şirketleşme geleneksel yöntemine alternatif olarak, tek adımlı bir hücre süspansiyon viskoz bir bioink karıştırma için bir protokol geliştirilen ve tartışıldı. Ayrıca, doku yapıları imalatı karıştırma Bu teknikte pratik uygulama değerlendirilmiştir. Bu tek adımlı karıştırma yaklaşımı geleneksel karıştırma teknikleri dahil kontrollü karıştırma oranı, yüksek ve düzensiz kesme vurguluyor, indirilmesi birçok avantajı vardır ve örnek ortadan kaldırmak için kapalı bir sistem kapatın damarları karıştırma. Ancak, bu teknik avantajları cep/bioink karıştırma için geleneksel yöntemler üzerinde emin olmak için birkaç önemli adımlar bulunmaktadır. Hücre şırınga hücrelerde askıya ve iyi karıştırma önce karışık sağlamak için önemlidir. Çok büyük, kaldırma ve transfer hücrelerin arasında bir zaman aralığı içinde belgili tanımlık tenkıye ve başlangıç karıştırma işlemi düzensiz karıştırma ve dağıtım yazdırılan bir filament içine neden olur tortu hücrelere neden olabilir. Sedimantasyon izlenebiliyor, basit inversiyon (2 – 3 kez), Eğer hemen önce karıştırma pasif karıştırma ünitesi montaj hücreleri resuspend ve karıştırma önce tekdüze dağılım sağlamak için yeterli olduğunu. Bu da şırıngaları hava kabarcıkları ortadan kalkar veya önceden karıştırma oranı sabit kalmasını sağlamak için simge durumuna küçültülmüş önemlidir. Büyük hava kabarcıkları karıştırma önce bioink kartuş kalırsanız, çözüm ayrıntılı karıştırma sağlamak için ek bir süre karıştırma birimi üzerinden çalıştırılması önerilir. Hava kabarcığı kalırsa, baskı kartuşu/şırınga nazik dokunarak kalan hava kabarcıkları yerinden. Birden çok malzeme (birkaç karıştırma birimleri veya malzeme) karıştırma daha karmaşık yapıları için gerekli ise, buna ek olarak, karışık olması bioinks/hücre süspansiyonlar konsantrasyonları karıştırmak yoluyla, uygun sulandrarak sonra emin olmak için ayarlanması gerekir son konsantrasyonu hala elde edilir.
Diğer karıştırma teknikleri ile karşılaştırıldığında, pasif karıştırma ünitesi bioinks cellularize için yeni bir yaklaşımdır. Karıştırma veya bir spatula veya başka bir araç ile karıştırarak çift şırınga gibi diğer karıştırma teknikleri pasif karıştırma birim toplu işlemleri ve kullanıcılar arasında karıştırma daha fazla tutarlılık sağlar. Bir spatula karıştırma gibi el ile karıştırma teknikleri doğası kapsamını ve karıştırma oranı büyük kullanıcıdan kullanıcıya varyasyon sonuçlanır. Ayrıca, birim ve çift şırınga karıştırma karıştırma pasif gibi kapalı sistemler bir Petri kabına veya tüp içinde karıştırma el ile karşılaştırıldığında küçük hiçbir örnek kaybı olması.
Bu el yazması fabrikasyon her iki doku analogları bioink tek bir türü ve bir veya iki hücre tipleri oluşuyordu. Ancak, farklı hücre tipleri ile farklı bioinks bölgelerinde içeren mimarileri oluşan doku analogları bioprinting daha fazla fizyolojik doku yapıları20,21imalatı için gerekli olabilir, 22. Daha bioinks benzersiz besteleri ile özel veya işlevleri birlikte farklı kompozisyonlar veya işlevleri23var multimaterial bioinks oluşturmak için varolan bioinks çeşitli karıştırma aracılığıyla oluşturulabilir, 24. Bu gibi cilt için cilt altı katman veya nerede bioink kompozisyon25,26 bir degrade gelişimini sağlamak gerekli olabilir bölge bir doku kemik kıkırdak doku geçiş bölgeleri, özellikle önemli olabilir Bu kritik bölgelerde yerel doku27‘ bulundu. Ayrıca, bir karıştırma birim büyüme faktörleri ve morfojenlerdeki bioprinting önce bioinks içine karıştırmak için yararlanılabilir. Örnek kaybı kapalı karıştırma sistemi ile ortadan kaldırılması nerede örnek kaybı son onların konsantrasyon bioprinted yapý içinde bir değişiklik neden olabilir, pahalı ve düşük konsantrasyon biyoaktif faktörler, kullanım için çekici olduğunu özellikle degradeler katılmaktadırlar.
Mekanik olarak duyarlı hücre tipleri hasar riski bu çalışmada kullanılan birim karıştırma pasif dahil olmak üzere herhangi bir karıştırma tekniği ile bir kısıtlamadır. Örneğin, kök hücre böyle izole kemik iliği veya embriyo veya İndüklenmiş pluripotent kök hücreler Bunlar mekanik hasar28,29için daha duyarlı. Karıştırma işlemi karıştırma sürecine dahil kesme Kuvvetleri nedeniyle hücrelerinde anormal mekanik gerilmeler kazandırır ve canlılığı30korumak için dengelenmelidir. İyi canlılık (Şekil 2) birincil fibroblastlar ve bu çalışmanın kondrosit kullanımıyla sonuçlanan iken, daha fazla çalışmaları güvenli karışım ve oranlarının daha duyarlı hücre tipleri için belirlemek gereklidir. O zamana kadar bu karıştırma canlılığı en üst düzeye çıkarmak için sürekli bir yavaş sıklığı altında yapılması tavsiye edilir. Buna ek olarak, bu çalışmada seçilen hücre yoğunluğu önceki çalışmalar1üzerinde dayalı tespit edilmiştir. Bu hücre yoğunluğu tüm hücre türleri için ideal olmayabilir.Özellikle, daha yüksek bir konsantrasyon hücreleri karıştırma hücre canlılığı ve doku oluşumu31,32artırabilir artan hücre-hücre kişiler’neden olabilir. Benzer şekilde, pasif karıştırma birim hücre pulcuklarının veya diğer hücre toplamları33 bioinks karıştırma için uygun olabilir.
Olarak önerilen ve gösterdi bu çalışmada, bir pasif karıştırma birim sistemi hızla viskoz bir bioink bir hücre süspansiyon karışımı olabilir. Hücrelere mekanik hasar için risk hala kalırken, yaklaşım ve kullanıcılar arasında tek bir çalışma içinde karıştırma daha fazla tutarlılık sağlar. Pre-cellularized bioinks bu yaklaşımı kullanan her iki kıkırdak imal ve 4 haftaya kadar kültürlü ve doku belirli ECM işaretlerini birikimi gösterdi analogları deri kullanılmıştır. Gelecekteki çalışmaları birimi sistem üzerinden standart bioinks daha karmaşık doku analogları imalatı için özel bioinks karışım karıştırma pasif kullanımı ele alınacak.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar hiçbir katkıda bulunanlar var.
Materials
| STARTINK Kit | CELLINK | SK0001 | Kit that contained all the elements for the CELLMIXER procedure |
| Live/Dead Kit | Life Technologies | L3224 | Kit for the analysis of cell viability after mixing |
| Masson's Trichrome | Sigma Aldrich | HT15-1KT | Kit for the analysis of collagen I deposition in the skin constructs |
| Alcian Blue | Sigma Aldrich | B8438-250ML | Kit for the analysis of glycosaminoglycan deposition in the skin constructs |
| INKREDIBLE+ bioprinter | CELLINK | Gen1+ | Printer utilized in the study |
| DMEM with Glutamax | Thermofisher | 10566016 | Media for culture of the cells |
| 10% fetal bovine serum | Thermofisher | A3160402 | Media supplement |
| Penicillin-Streptomycin | Life Technologies | 15070063 | Media supplement |
| live cell imaging solution | thermofisher | A14291DJ | component utilized using live/dead imaging |
| inverted microscope | Olympus | IX73 | microscope utilized |
| a digital color camera | Olympus | XC10 | microscope camera utilized |
| cellSens imaging software | Olympus | n/a | stock software with the microscope |
| ImageJ | NIH | n/a | open source image analysis software |
| GraphPad Prism 7 | GraphPad | n/a | software for statistical analysis |
| Slic3r software (v1.2.9) | Slic3r | n/a | open-source software to convert .stl file to gcode |
| primary adult human dermal fibroblasts | ATCC | PCS-201-012 | cell source for fibroblasts |
References
- Avila, H. M., Schwarz, S., Rotter, N., Gatenholm, P. 3D bioprinting of human chondrocyte-laden nanocellulose hydrogels for patient-specific auricular cartilage regeneration. Bioprinting. 1, 22-35 (2016).
- Lee, V., et al. Design and fabrication of human skin by three-dimensional bioprinting. Tissue Eng Part C Methods. 20 (6), 473-484 (2013).
- Costantini, M., et al. Microfluidic-enhanced 3D bioprinting of aligned myoblast-laden hydrogels leads to functionally organized myofibers in vitro and in vivo. Biomaterials. 131, 98-110 (2017).
- Fedorovich, N. E., et al. Biofabrication of Osteochondral Tissue Equivalents by Printing Topologically Defined, Cell-Laden Hydrogel Scaffolds. Tissue Eng Part C Methods. 18 (1), 33-44 (2011).
- Vijayavenkataraman, S., Lu, W. F., Fuh, J. Y. H. 3D bioprinting of skin: a state-of-the-art review on modelling, materials, and processes. Biofabrication. 8 (3), 032001 (2016).
- Peltola, S. M., Melchels, F. P. W., Grijpma, D. W., Kellomäki, M. A review of rapid prototyping techniques for tissue engineering purposes. Ann Med. 40 (4), 268-280 (2008).
- Xu, T., Jin, J., Gregory, C., Hickman, J. J., Boland, T. Inkjet printing of viable mammalian cells. Biomaterials. 26 (1), 93-99 (2005).
- Cui, X., Dean, D., Ruggeri, Z. M., Boland, T. Cell damage evaluation of thermal inkjet printed Chinese hamster ovary cells. Biotechnol Bioeng. 106 (6), 963-969 (2010).
- Parsa, S., Gupta, M., Loizeau, F., Cheung, K. C. Effects of surfactant and gentle agitation on inkjet dispensing of living cells. Biofabrication. 2 (2), 025003 (2010).
- Derby, B. Inkjet printing of functional and structural materials: fluid property requirements, feature stability, and resolution. Annu Rev Mater Res. 40, 395-414 (2010).
- Colosi, C., et al. Microfluidic Bioprinting of Heterogeneous 3D Tissue Constructs Using Low-Viscosity Bioink. Adv Mater. 28 (4), 677-684 (2016).
- Ober, T. J., Foresti, D., Lewis, J. A. Active mixing of complex fluids at the microscale. Proc Natl Acad Sci. 112 (40), 12293-12298 (2015).
- Shabnam, P., Madhuja, G., Frédéric, L., Karen, C. C. Effects of surfactant and gentle agitation on inkjet dispensing of living cells. Biofabrication. 2 (2), 025003 (2010).
- Chahal, D., Ahmadi, A., Cheung, K. C. Improving piezoelectric cell printing accuracy and reliability through neutral buoyancy of suspensions. Biotechnol Bioeng. 109 (11), 2932-2940 (2012).
- Niu, X., Lee, Y. -. K. Efficient spatial-temporal chaotic mixing in microchannels. J Micromech Microeng. 13 (3), 454 (2003).
- Liu, R. H., et al. Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel. J Microelectromech Syst. 9 (2), 190-197 (2000).
- Strober, W. Trypan blue exclusion test of cell viability. Curr protoc immunol. , (2001).
- Scott, J., Dorling, J. Differential staining of acid glycosaminoglycans (mucopolysaccharides) by alcian blue in salt solutions. Histochem Cell Biol. 5 (3), 221-233 (1965).
- Garvey, W. Modified elastic tissue-Masson trichrome stain. Stain technol. 59 (4), 213-216 (1984).
- Xu, T., Zhao, W., Zhu, J. -. M., Albanna, M. Z., Yoo, J. J., Atala, A. Complex heterogeneous tissue constructs containing multiple cell types prepared by inkjet printing technology. Biomaterials. 34 (1), 130-139 (2013).
- Kolesky, D. B., et al. 3D bioprinting of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs. Adv Mater. 26 (19), 3124-3130 (2014).
- Kolesky, D. B., Homan, K. A., Skylar-Scott, M. A., Lewis, J. A. Three-dimensional bioprinting of thick vascularized tissues. Proc Natl Acad Sci. 113 (12), 3179-3184 (2016).
- Rutz, A. L., Hyland, K. E., Jakus, A. E., Burghardt, W. R., Shah, R. N. A multimaterial bioink method for 3D printing tunable, cell-compatible hydrogels. Adv Mater. 27 (9), 1607-1614 (2015).
- KÖpf, M., Campos, D. F. D., Blaeser, A., Sen, K. S., Fischer, H. A tailored three-dimensionally printable agarose-collagen blend allows encapsulation, spreading, and attachment of human umbilical artery smooth muscle cells. Biofabrication. 8 (2), 025011 (2016).
- Gurkan, U. A., et al. Engineering anisotropic biomimetic fibrocartilage microenvironment by bioprinting mesenchymal stem cells in nanoliter gel droplets. Mol Pharm. 11 (7), 2151-2159 (2014).
- Ma, Y., Ji, Y., Huang, G., Ling, K., Zhang, X., Xu, F. Bioprinting 3D cell-laden hydrogel microarray for screening human periodontal ligament stem cell response to extracellular matrix. Biofabrication. 7 (4), 044105 (2015).
- Lu, H. H., Thomopoulos, S. Functional attachment of soft tissues to bone: development, healing, and tissue engineering. Annu Rev Biomed Eng. 15, 201-226 (2013).
- Aguado, B. A., Mulyasasmita, W., Su, J., Lampe, K. J., Heilshorn, S. C. Improving viability of stem cells during syringe needle flow through the design of hydrogel cell carriers. Tissue Eng Part A. 18 (7-8), 806-815 (2011).
- Parisi-Amon, A., Mulyasasmita, W., Chung, C., Heilshorn, S. C. Protein-Engineered Injectable Hydrogel to Improve Retention of Transplanted Adipose-Derived Stem Cells. Adv Healthc Mater. 2 (3), 428-432 (2013).
- Qiu, X., De Jesus, J., Pennell, M., Troiani, M., Haun, J. B. Microfluidic device for mechanical dissociation of cancer cell aggregates into single cells. Lab Chip. 15 (1), 339-350 (2015).
- Cukierman, E., Pankov, R., Yamada, K. M. Cell interactions with three-dimensional matrices. Curr Opin Cell Biol. 14 (5), 633-640 (2002).
- Loessner, D., et al. Bioengineered 3D platform to explore cell-ECM interactions and drug resistance of epithelial ovarian cancer cells. Biomaterials. 31 (32), 8494-8506 (2010).
- Lin, R. Z., Chang, H. Y. Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research. Biotechnol J. 3 (9-10), 1172-1184 (2008).
