زخرفه ثلاثية الابعاد من الاغشيه البيولوجية المهندسة مع بيوركانتر تفعل ذلك بنفسك
مايو 16, 2019
توضح هذه المقالة طريقه تحويل طابعه ثلاثية الابعاد تجاريه منخفضه التكلفة إلى طابعه ثلاثية الابعاد بكتيرية يمكنها تسهيل طباعه الاغشيه البيولوجية المنقوشة. وتوصف جميع الجوانب الضرورية لاعداد البيولوجية والحبر الحيوي ، فضلا عن أساليب التحقق لتقييم تكوين الاغشيه البيولوجية.
3D الطباعة البيولوجية مع البكتيريا هي تقنية وضعت حديثا. يوفر هذا البروتوكول طريقة سهلة لبناء الأغشية الحيوية 3D المهندسة المطبوعة مع البكتيريا. والميزة الرئيسية لهذه التقنية هي القدرة على إنتاج الأغشية الحيوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد منزلية الصنع.
أحد التطبيقات الممكنة للطابعة ثلاثية الأبعاد لدينا هو إنشاء أغشية بيو فيلمية نموذجية قابلة للاستنساخ يمكن استخدامها لتطوير علاجات جديدة مضادة للبكتيريا. يمكن تطبيق نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد لدينا على أي نوع من البكتيريا المتوافقة مع bioink لدينا alginate على أساس. إعداد bioink وركائز الطباعة هي إجراءات قياسية إلى حد ما ، في حين أن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وخاصة معايرة المحور Z هو خطوة حاسمة تتطلب بعض الممارسة.
سوف تؤثر معايرة مجموعة ارتفاع الوصول على دقة طابعة 3D لدينا، وتعتمد بشدة على الخبرة الشخصية. يتطلب هذا الإجراء تعديلات يدوية، ومن الصعب وصفه في شكل مكتوب. قم بتوصيل طرف ماصة 200 ميكرولتر بطول أنابيب السيليكون، واركب رأس الطارد الخاص بالطابعة ثلاثية الأبعاد كبديل للطارد الأصلي.
بعد ذلك، إضافة أربعة ملليلترات من محلول كلوريد الكالسيوم المولر خمسة إلى 400 ملليلتر من 1٪ أجار الذائبة في مرق لوريا-بيرتاني، وتكمله بالمضادات الحيوية والمستحثات المناسبة. ثم، الاستغناء 20 ملليلتر من حل أجار LB في كل 150 ملليمتر من قبل 15 ملليمتر طبق بيتري. جفف الطبق لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة، مع غطاء نصف مفتوح.
إعداد محلول ألجينات الصوديوم 3٪، وتسخينه إلى نقطة الغليان ثلاث مرات لتعقيم المحلل. ثم، وتخزين محلول معقمة في أربع درجات مئوية حتى يتم استخدامه. لإعداد المكون البكتيري من bioink، تنمو البكتيريا القولونية E.coli تحمل plasmids للتعبير GFP التأسيسية في 50 ملليلتر من LB المتوسطة التي تحتوي على المضادات الحيوية.
هز الثقافة في 250 دورة في الدقيقة و 37 درجة مئوية بين عشية وضحاها. بعد نمو بين عشية وضحاها من الثقافة، بيليه البكتيريا لمدة خمس دقائق في 3، 220 مرة الجاذبية ومن ثم إزالة supernatant. Resuspend بيليه البكتيريا في 10 ملليلتر من متوسطة LB، وإضافة 10 ملليلتر من 3٪الصوديوم.
قم بتوصيل الطابعة ثلاثية الأبعاد بجهاز كمبيوتر، وافتح برنامج الطباعة ثلاثية الأبعاد. انقر فوق الزر الصفحة الرئيسية لمحور X وY و Z لنقل رأس الطباعة إلى موضعه المنزلي. لكل طباعة، ضع ركيزة طباعة جاهزة على موقع معين على سرير الطباعة.
رفع رأس الطباعة إلى ارتفاع أكثر من 22 ملليمتر تحت السيطرة اليدوية، بحيث أنها لن تصطدم مع حافة طبق بيتري أثناء الحركة. ضع رأس الطباعة فوق الجزء العلوي من اللوحة واحركه لأسفل حتى يتصل طرف الماصات بسطح الطباعة. تعيين هذا الموضع محور Z كـ Z1، ارتفاع سطح الطباعة.
بعد ذلك، ارفع رأس الطباعة واحركه يدويًا خارج منطقة اللوحة. إذا كانت مسافة العمل بين رأس الطباعة وسطح اللوحة معرّفة على أنها Z2، أدخل ارتفاع سطح الطباعة بالإضافة إلى مسافة العمل في برنامج الطباعة كقيمة Z أثناء الطباعة. قم بتحميل ملف G-code مبرمج مسبقاً يحتوي على أوامر لطباعة الشكل المطلوب.
في كل سطر أوامر، قد يتم تغيير موضع رأس الطباعة في المحاور س و ص أو Z. تأكد من إدخال قيمة Z أثناء جميع خطوات الطباعة كطول سطح الطباعة بالإضافة إلى مسافة العمل. تحميل bioink السائل في المحاقن وجبل لهم في مضخة حقنة من 3D bioprinter.
ثم، تعيين سرعة البثق إلى 0.3 ملليلتر في الساعة. اطبع bioink على ركيزة الطباعة بالنقر فوق الزر طباعة. انتظر لبدء ضخ الحقنة حتى بعد بدء الطباعة، وقبل أن يتلامس رأس الطباعة مع سطح الطباعة.
أثناء الطباعة، التحكم في حركة رأس الطباعة بالكامل من قبل البرنامج. وقف مضخة حقنة بمجرد وصول رئيس الطباعة في النقطة الأخيرة من الطباعة، وإلا سوف بيوينك الزائدة إسقاط على الركيزة الطباعة والحد من قرار الطباعة. لبناء هياكل 3D، يتم التحكم في جميع حركات رأس الطباعة في محرر G-code.
لزيادة ارتفاع الطباعة للطبقة الثانية، اكتب في ارتفاع الطباعة للطبقة الأولى، ثم قم بزيادة قيمة Z في الكود بمقدار 0.2 مليمتر. بعد ذلك، زيادة قيمة Z بمقدار 0.1 ملليمتر، عند الانتقال إلى طبقة أعلى. احتضان العينات المطبوعة في درجة حرارة الغرفة لمدة ثلاثة إلى ستة أيام للسماح بإنتاج مكونات بيو فيلم مثل ألياف كيرلي.
ثم ضع اللوحة على ماسح ضوئي فلوري وصور اللوحات. لإذابة مصفوفة ألجينات، إضافة 20 ملليلتر من محلول سيترات الصوديوم 0.5 ضرس في 7، إلى الركيزة المطبوعة. احتضان لوحة في درجة حرارة الغرفة لمدة ساعتين في حين تهتز في 30 دورة في الدقيقة.
ثم، والتخلص من السائل وصورة لوحات مرة أخرى، للمقارنة مع الصور لوحات قبل وبعد العلاج سيترات. يمكن للطبعة الحيوية ثلاثية الأبعاد إنشاء بكتيريا تغلف الهيدروجيلات في مجموعة متنوعة من الأشكال ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه الأشكال المطبوعة لتقييم ما إذا كان تكوين بيو فيلم ناجحا أو إذا تم حل مصفوفة الجينات تماما باستخدام محلول سيترات الصوديوم.
في حالة bioink دون إنتاج كيرلي غير قابل للذوبان ، تم حل النمط المطبوع تمامًا بعد علاج سترات الصوديوم ، مما يدل على أنه لم تتشكل أي شبكة بيوليمم كيرلي. لم يتم حل البكتيريا التي تحتوي على إنتاج كيرلي غير قابل للذوبان بعد علاج سترات الصوديوم ، مما يشير إلى أن البكتيريا المطبوعة كانت قادرة على تشكيل شبكة كيرلي واسعة بما يكفي لتثبيت النمط المطبوع للبكتيريا. لبناء هياكل متعددة الطبقات، يمكن طباعة طبقات إضافية عن طريق التحكم في محرر رمز G.
زيادة عدد الطبقات المطبوعة في نموذج تسبب في زيادة عرض وارتفاع البنيات المطبوعة بشكل متزايد. عندما تم طباعة E.coli المهندسة لإنتاج إيندوشيبلي بروتينات كيرلي في هياكل متعددة الطبقات، لم يتم حل علاج سترات الصوديوم العينات، في حين تم حل الهياكل متعددة الطبقات التي تحتوي على غير كورلي المنتجة E.coli. الأجزاء الأكثر أهمية من إجراءات الطباعة 3D هي معايرة Z-محور، وتنسيق بدء الطباعة وبدء ضخ الحقن.
bioink وضعت لهذه العملية لينة إلى حد ما ، مع صلابة منخفضة. ويمكن إجراء مزيد من التعديل على bioink، من أجل توفير وتحسين الاستقرار الميكانيكية. هذه التقنية الطباعة 3D تمكن إنتاج الأغشية الحيوية مع خصائص ميكانيكية ممتازة، والتي قد تمكن من تصنيع المواد الحيوية.
عند التعامل مع هذه البكتيريا، وارتداء الحماية المناسبة، مثل القفازات.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة طريقة لتحويل طابعة ثلاثية الأبعاد تجاريّة منخفضة التكلفة إلى طابعة ثلاثية الأبعاد بكتيريّة قادرة على طباعة أغشية حيوية منمقّة. تفصّل المقالة تحضير الطابعة الحيويّة، الحبر الحيوي، وطرق التحقق لتقييم تكوين الأغشية الحيويّة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- الطباعة الحيويّة ثلاثية الأبعاد
- علم الأحياء الدقيقة
- الهندسة الحيويّة
الخلفية
- الطباعة الحيويّة ثلاثية الأبعاد باستخدام البكتيريا هي تقنية ناشئة.
- تتيح هذه الطريقة بناء أغشية حيوية مصممة.
- تستخدم طابعة ثلاثية الأبعاد منزليّة غير مكلفة.
- تشمل التطبيقات تطوير علاجات جديدة مضادة للبكتيريا.
غرض الدراسة
- لإنشاء نماذج أغشية حيوية قابلة للتكرار.
- لتسهيل تطوير العلاجات المضادة للبكتيريا.
- لإظهار تنوع الطباعة ثلاثية الأبعاد مع أنواع مختلفة من البكتيريا المتوافقة.
الطرق المستخدمة
- تحضير حبر حيوي على أساس الجزيئات المشتقة من الطحالب.
- معايرة المحور Z لطابعة ثلاثية الأبعاد.
- إجراءات قياسية لطباعة الركائز.
- طرق التحقق من تكوين الأغشية الحيويّة.
النتائج الرئيسية
- طباعة ناجحة للأغشية الحيويّة منمقّة.
- تأكّد التوافق مع أنواع مختلفة من البكتيريا.
- تأسيس قابلية تكرار نماذج الأغشية الحيويّة.
- توفير حلّ فعّال من حيث التكلفة لهندسة الأغشية الحيويّة.
الخلاصات
- تعزز الطريقة من إمكانية الوصول إلى تقنية الطباعة الحيويّة ثلاثية الأبعاد.
- تفتح آفاقاً للبحث في العلاجات المضادة للبكتيريا.
- يُشجع على مزيد من التحسين لعملية الطباعة.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This method enables reproducible, engineerable biofilm model systems for antibacterial therapeutic development and environmental applications. By providing a low-cost, accessible platform for spatially-controlled biofilm fabrication, it supports early-stage target validation and mechanistic de-risking in antimicrobial discovery pipelines. The approach facilitates predictive confidence in biofilm-related mechanisms without requiring specialized bioprinting infrastructure.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of biofilm formation mechanisms through inducible expression of matrix proteins like Curli.
- Operational Value: Supports hypothesis testing of genetic and environmental factors influencing biofilm stability and antibiotic resistance.
- Predictive Value: Provides quantifiable biofilm output via resistance to sodium citrate dissolution, enabling go/no-go decisions on target pathways.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, spatially-patterned biofilm substrates for consistent compound screening against biofilm-associated phenotypes.
- Operational Value: Uses alginate-based bioink compatible with various bacteria, allowing assay adaptation across target strains without reformulation.
- Scalability: Enables multi-layered structure production with incremental Z-axis adjustments, supporting dose-response and time-course screening formats.
Translational & Preclinical Research
- Translational Value: Produces biofilm models that mimic extracellular matrix-mediated antibiotic resistance, relevant for preclinical efficacy testing.
- Mechanistic De-risking: Allows visualization of biofilm components (e.g., Curli fibers) via fluorescence imaging before and after matrix dissolution, confirming target engagement.
- Continuity: Supports progression from discovery-scale biofilm modeling to preclinical evaluation of antibiofilm agents.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to lead optimization, particularly for antimicrobial programs focusing on biofilm-associated tolerance.
- Discovery Biology: Tests therapeutic hypotheses by engineering biofilm-deficient strains and assessing structural integrity post-treatment.
- Screening: Delivers reproducible biofilm formats with quantifiable readouts (e.g., fluorescence, dissolution resistance) for high-content compound evaluation.
- Analytics: Enables comparison of biofilm formation across conditions via imaging and biochemical extraction, supporting data-driven prioritization.
- Translational Research: Connects in vitro biofilm models to preclinical validation by demonstrating matrix-dependent phenotypic resistance.
- Enterprise Reuse: Represents a modular, adaptable platform applicable across bacterial targets and biofilm-related indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in biofilm formation by linking genetic induction to matrix production and structural stability.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized bioink preparation and Z-axis calibrated printing, minimizing variability across runs.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling biofilm model generation on low-cost, modified consumer-grade printers.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by identifying compounds that disrupt biofilm matrix without affecting planktonic growth.
Implementation Considerations
- Requires microbiological expertise for sterile bioink preparation and bacterial handling under biosafety guidelines.
- Depends on precise Z-axis calibration and synchronization of print head movement with syringe pump extrusion to maintain resolution.
- Necessitates standardization of substrate preparation (e.g., calcium chloride-agar plates) and induction timing for consistent biofilm protein expression.
- Adaptation to alternative bacterial strains may require optimization of inducer concentration and alginate concentration for viability and printability.
- Practical limitations include bioink softness and low toughness, which may restrict mechanical testing applications without further crosslinking or polymer modification.
