Badacze budują niedrogie oprogramowanie typu Open Source Bioprinter do gałęzi druku 3D, konstrukcje naczyniowe oparte na hydrożelu

Chociaż bioprogramowanie 3D nie jest jeszcze w stanie wyprodukować w pełni ludzkich narządów, może być ono wykorzystywane do wytwarzania kilku różnych rodzajów ludzkiej tkanki, takich jak serce i przewód żółciowy. Jedną z głównych barier tworzenia żywotnych tkanek do celów klinicznych i naukowych jest rozwój układu naczyniowego w inżynierii konstruktów tkankowych, głównie z powodu generowania rozgałęzionych kanałów w konstruktach hydrożelowych, które mogą później produkować konstrukcje podobne do naczyń po zaszczepieniu komórkami śródbłonka. p>

Ale dzięki bioprintingowi 3D możliwe jest teraz drukowanie złożonych struktur 3D na wielu skalach długości w ramach jednej konstrukcji. Umożliwia to generowanie rozgałęzionych, wzajemnie połączonych układów naczyń o małych, podobnych do żył naczyniach mikronaczyniowych i większych makówek, czego nie można było wykonać przy użyciu wcześniejszych metod inżynierii tkankowej. Jednak najlepszy materiał protektorowy do wytwarzania rozgałęziających się przewodów naczyniowych w konstrukcjach opartych na hydrożelu nie został jeszcze ustalony.

Zespół naukowców z University of Toronto opublikował niedawno artykuł zatytułowany "Generowanie kanałów naczyniowych w hydrożelu konstruuje przy użyciu ekonomicznego bioprintera 3D o otwartym źródle i żeli termoodwracalnych "w czasopiśmie Bioprinting. Współautorami artykułu są Ross EB Fitzsimmons, Mark S. Aquilino, Jasmine Quigley, Oleg Chebotarev, Farhang Tarlan i Craig A. Simmons.

Streszczenie brzmi: "Pojawienie się biografii 3D oferuje nowe możliwości tworzenia złożonych struktur naczyniowych w obrębie zaprojektowanych tkanek. Jednak najbardziej odpowiedni materiał protektorowy do wytwarzania rozgałęziających się przewodów naczyniowych w konstrukcjach opartych na hydrożelu nie został jeszcze rozwiązany. W tym miejscu oceniamy dwóch głównych konkurentów, żelatynę i Pluronic F-127, pod kątem szeregu charakterystyk istotnych dla ich zastosowania jako materiałów ofiarnych (drukowana średnica włókien i jego zmienność, toksyczność, właściwości reologiczne i moduły ściskające). Aby pomóc w naszej ocenie i pomożemy przyspieszyć przyjęcie bioprogramowania 3D w dziedzinie biomedycznej, stworzyliśmy na zamówienie niedrogiego (3 000 USD) bioprintera 3D. Ta otwarta drukarka 3D została zaprojektowana w taki sposób, aby była wytwarzana modułowo z elementami drukowanymi / wycinanymi laserowo w 3D i elektroniką z półki, aby umożliwić łatwy montaż, wielokrotne ulepszenia i dostosowanie przez przyszłych użytkowników projektu. Znaleźliśmy Pluronic F-127 do produkcji włókien o wyższej rozdzielczości przestrzennej, większej jednolitości i większym module sprężystości niż filamenty żelatynowe, orazo niskiej toksyczności pomimo tego, że jest środkiem powierzchniowo czynnym, co czyni go szczególnie przydatnym do projektowania mniejszych przewodów naczyniowych. Warto zauważyć, że dodanie hialuronianu do żelatyny zwiększyło jego lepkość, aby uzyskać rozdzielczość filamentów i nadać jednorodność drukowania zbliżającemu się do Pluronic F-127. Żelatyna-hialuronian był również bardziej odporny na odkształcenia plastyczne niż Pluronic F-127, a zatem może być korzystny w sytuacjach, w których materiał protektorowy zapewnia wsparcie strukturalne. Oczekujemy, że ta praca mająca na celu stworzenie ekonomicznego bioprintera 3D i ocenę materiałów ofiarnych pomoże w ciągłym rozwoju unaczynionych tkanek i pomoże przyspieszyć powszechny bioprogramowanie 3D w celu stworzenia inżynierii tkanek. "

Obecni biografie 3D mają różne zalety techniczne i metody osadzania, które wpływają na ich ceny i dostępne zastosowania. Oparte na wytłaczanych drukarkach 3D są dobre dla inżynierii tkankowej, ale koszt jest zwykle zbyt wysoki, aby pole mogło osiągnąć znaczny wzrost.

W tym eksperymencie naukowcy zdecydowali się na stworzenie własnego bioprintera 3D o otwartym kodzie źródłowym, który kosztuje około 3000 USD i może być stosowany w aplikacjach o niższej rozdzielczości, takich jak drukowanie 3D perfuzji mikronaczyń w konstruktach tkankowych CD3D .

Zarówno wybrana metoda, jak i materiał muszą spełniać pewną liczbę wymagań, aby z powodzeniem drukować w 3D kompleksowe systemy naczyń rozgałęzionych w konstrukcjach hydrożelowych. Po pierwsze, materiały protektorowe, które muszą być nietoksyczne i utrzymują jednolitą średnicę filamentu podczas drukowania, muszą być osadzone w pożądanym kształcie naczyń podczas drukowania, a następnie przepłukiwane, gdy konstrukt zostanie ukończony.

In Ponadto, drukarka 3D musi mieć wystarczającą rozdzielczość, aby wydrukować wszystkie kanały - nawet te, które będą działały jako naczynia o małej średnicy naczynia ~ 0,5-1mm. Musi również być w stanie zdeponować co najmniej dwa materiały, chociaż więcej jest lepiej, jeśli chodzi o tworzenie heterogenicznych tkanek z różnymi regionami o różnym składzie komórek i hydrożelu.

Zespół zbadał składy żelatyny i PF127 należne do ich potencjalnych zalet jako materiałów protektorowych w konstruktach tkankowych na bazie hydrożelu. Żelatyna, która była używana w kilku zastosowaniach biomedycznych, jest termoodwracalną (właściwość niektórych substancji do odwrócenia po wystawieniu na działanie ciepła) biopolimerem z kilku zhydrolizowanych segmentów kolagenu i może być drukowana w 3D w temperaturze ~ 37 ° C,który jest temperaturą kompatybilną z komórkami.

PF127 jest środkiem powierzchniowo czynnym, co oznacza, że ​​może mieć potencjalny wpływ cytotoksyczny na osadzone komórki. Ale ma odwrotne żelowanie termiczne, co oznacza, że ​​może być drukowany w 3D w temperaturze otoczenia, a następnie usuwany w temperaturze ~ 4 ° C w celu utworzenia pustych kanałów naczyniowych.

Zgodnie z dokumentem: "Korzystając z naszego Specjalnie zaprojektowana drukarka w celu oceny drukowności tych materiałów i oceny właściwości mechanicznych, chcieliśmy ustalić, która może być najlepszą opcją do tworzenia rozgałęzionych kanałów naczyniowych w obrębie inżynierii tkanek. "

Modułowy moduł 3D bioprintera zawiera systemy wytłaczania, wydrukowane w 3D z ABS na drukarce 3D MakerBot, zaprojektowane specjalnie w celu przechowywania dostępnych w handlu, sterylnych strzykawek o pojemności 10 ml, zamiast specjalnie wykonanych zbiorniczków, które wymagają specjalnej sterylizacji i wielokrotnego sterylizacji. Płyta kontrolera Open-source Duet v0.6 steruje systemem, a głowice drukujące są odizolowane od ruchów XYZ wykonywanych przez dolną część obudowy.

Do celów testowych krople wody były drukowane w 3D określony wzór z każdym układem ekstrudera i zmierzono średnią odległość między punktami kropel w kierunkach X i Y; następnie średnie odległości zostały porównane z predefiniowanymi odległościami modelu CAD.