Naukowcy korzystający z Jammed Microgels jako atramentów do druku biologicznego 3D

Streszczenie brzmi: "Drukowanie 3D wymaga opracowania farb drukarskich, które wykazują wymagane właściwości zarówno do drukowania, jak i do zamierzonej aplikacji. W przypadku drukowania biologicznego, te tusze są często hydrożelami o kontrolowanych właściwościach reologicznych, które można stabilizować po osadzeniu. W tym przypadku opracowuje się alternatywne podejście, w którym tusz jest złożony wyłącznie z zakleszczonych mikrożel, które są zaprojektowane do włączenia szeregu właściwości przez projekt mikrożelu (np. Skład, wielkość) i przez mieszanie mikrożel. Zakleszczone atramenty mikrożelowe są rozrzedzone przez ścinanie, aby umożliwić przepływ i szybko odzyskiwać po osadzeniu, w tym na powierzchniach lub po osadzeniu w 3D w podpórkach hydrożelowych, i mogą być dodatkowo stabilizowane przez sieciowanie wtórne. Platforma ta pozwala na użycie mikrożelów skonstruowanych z różnych materiałów (np. Sieciowany tiol-enem kwas hialuronowy (HA), fotosieciowany poli (glikol etylenowy), termo-wrażliwa agaroza) i które zawierają komórki, w których zacinają się proces i druk nie zmniejszają żywotności komórek. Wszechstronność tego podejścia opartego na cząsteczkach otwiera wiele potencjalnych zastosowań biomedycznych poprzez drukowanie bardziej zróżnicowanych zestawów farb. "

Mikrocząstki znalezione w systemach z zakleszczeniem są gęsto upakowane, a fizyczne interakcje z otaczającymi cząsteczkami unieruchomić je. Powoduje to, że materiały makroskopowe zachowują się jak ciała stałe, dopóki ruch nie zostanie wywołany przez przyłożoną siłę.

"W przypadku bardzo gęstych preparatów mikrożelowych, takich jak stosowane tutaj, objętość mikrożelu może odkształcać się elastycznie poniżej granicy plastyczności , ale nie ma ruchu poszczególnych mikrożel. Jednakże zastosowanie wystarczającego naprężenia do objętości mikrożelu powoduje ruch mikrożelów względem siebie, ponieważ stres pokonuje siły upakowania, które opierają się ruchowi - wyjaśnił naukowiec. "Ponadto, po zmniejszeniu naprężenia stosowanego poniżej granicy plastyczności, układ odzyskuje. Ten przepływ i odzyskanie zakleszczonego systemu w odpowiedzi na naprężenie spełnia wymagania projektowe dotyczące farb drukarskich do drukowania 3D, bez potrzeby zmian lub przegrupowania w strukturach molekularnych materiałów do drukowania. Dodatkowo, zagłuszanie mikrożelu powinno być niezależne od składu mikrożelu, potencjalnie umożliwiając drukowanie dowolnego materiału hydrożelowego, który może być przetwarzany w mikrożele. "

Zakorkowane mikrożele działają jako bioinkle, ponieważ pozwalają usieciowionym cząstkom hydrożelu być ukształtowanym jakozbiorczą masę, która może być następnie wytłoczona jako stabilne włókno bez użycia jakiegokolwiek innego materiału lub konieczności konstruowania jakichkolwiek interakcji międzycząstkowych. Naukowcy stworzyli atramenty mikrożelowe za pomocą urządzeń mikroprzepływowych.

Naukowcy powiedzieli: "Istnieje wiele uniwersalności tego podejścia, umożliwiając wytwarzanie mikrożelów z wielu materiałów w szerokim zakresie rozmiarów i obejmujących składniki biologiczne (np. komórki, środki lecznicze). "

Zespół wykorzystał zmodyfikowany norbornenem kwas hialuronowy (NorHA), diakrylan poli (glikolu etylenowego) (PEGDA) i agarozę do wytworzenia mikrożelu, który zdecydowanie rodzaje właściwości reologicznych ważnych przy drukowaniu 3D, takie jak rozrzedzanie przy ścinaniu, reakcja sprężysta przy niskich odkształceniach oraz zdolność do płynięcia podczas wytłaczania i stabilizacja szybko po osadzeniu. Zmodyfikowana drukarka Revolution XL 3D została wykorzystana do wytworzenia mikrożelów w czterowarstwową siatkę.

Siły mechaniczne przerywały drukowane struktury 3D zgodnie z oczekiwaniami, więc zespół wykorzystał sieciowanie pośrednie do chemicznego łączenia cząstek razem.

"Jako przykład, podczas procesu zagłuszania uwzględniono dodatkowy środek sieciujący (ditiotreitol) i fotoinicjator (Irgacure 2959), a światło ultrafioletowe (UV) prowadziło do sieciowania międzycząsteczkowego ze względu na obecność pozostałych nieprzereagowanych grup norbornenowych. Drukowane i post-sieciowane struktury kratownic mogą być następnie obsługiwane za pomocą kleszczyków bez widocznej utraty integralności strukturalnej "- powiedzieli naukowcy.

Dodatkowo, gdy drukowane i po usieciowanym prostopadłościanie zostały umieszczone w Pożywka do hodowli komórkowej utrzymywała swoje wymiary i strukturę przez cały tydzień, a "moduły ściskania drukowanych konstrukcji" zwiększono poprzez wprowadzenie wiązań międzycząstkowych do po-sieciowania. Stało się to przy niższej wartości niż hydrożele, które są wykonane z tej samej formulacji użytej do wytworzenia mikrożel; po połączeniu te wyniki umożliwiają drukowanie atramentów mikrożelowych 3D ", ponieważ zacięte właściwości atramentu wspierają drukowanie i krótkoterminową stabilność."

"Wierzymy, że drukowanie zakleszczonych atramentów mikrożelowych otwiera możliwość drukowanie różnorodnych materiałów i struktur. Aby to zilustrować, wykorzystaliśmy metodę drukowania żel-w-żelu z użyciem atramentów mikrożelowych w hydrożelach nośnych w celu drukowania heterogenicznych struktur ", stwierdzili naukowcy.

" Ponadto zastosowano tusze mikrożelowe dowytwarzanie mikrokanałów w hydrożelach nośnych. Aby to osiągnąć, i) mikrożelowe tusze mikrożelowe wytłaczano do hydrożelu nośnego, ii) podtrzymujący hydrożel stabilizowano przez kowalencyjne sieciowanie, i iii) mikrożele agarozowe usuwano przez rozpuszczanie ze wzrostem temperatury do 37 ° C. i w obecności agarazy, pozostawiając perfundowalny kanał w stabilizowanym materiale nośnikowym. "

Badania pokazują, że atramenty mikrożelowe z pewnością można stosować do drukowania heterogenicznych struktur 3D bez uszkadzania żadnych komórek.

"Podejście mikrożelowe pozwala kontrolować mikrośrodowiska komórkowe poprzez projekt mikrożelu bez potrzeby stosowania dodatków, które mogą zakłócać zachowanie komórek" - podsumowali naukowcy. "Te unikalne materiały oferują ekscytujące możliwości dla nowych podejść do biofabrykacji i zwiększają dostępność atramentów do drukowania."