المواد الهلامية السائل Agarose التي تشكلت عن طريق معالجة القص أثناء الهلام للطباعة الحيوية 3D علقت
مايو 26, 2023
تؤدي معالجة القص أثناء تكوين الهيدروجيل إلى إنتاج معلقات ميكروهلامية تكون رقيقة القص ولكن يتم إعادة هيكلتها بسرعة بعد إزالة قوى القص. وقد استخدمت هذه المواد كمصفوفة داعمة للطباعة الحيوية المعقدة والهياكل المحملة بالخلايا. هنا ، يتم وصف الطرق المستخدمة لتصنيع السرير الداعم والأحبار الحيوية المتوافقة.
تعد القدرة على استخدام الأحبار الحيوية المختلفة أمرا بالغ الأهمية للتطوير الناجح للهياكل المطبوعة بيولوجيا ، وتسهل هذه التقنية استخدام المواد التي لا تتوافق بشكل عام مع تقنيات الطباعة التقليدية. يمنع الوسط المعلق انهيار الأحبار الحيوية منخفضة اللزوجة عند ترسبها ، ويسمح بدمج الأحبار الحيوية المختلفة داخل بنية واحدة لإنشاء اختلافات إقليمية في الخواص الكيميائية والميكانيكية التي تشبه إلى حد كبير الأنسجة الأصلية. وسيقوم بتوضيح الإجراء الدكتور توم روبرتسون ، زميل باحث من جامعة برمنغهام ، والدكتورة جيسيكا سينيور ، زميلة أبحاث من جامعة هيدرسفيلد.
للبدء ، قم بتشغيل مقياس الريومتر وأدخل هندسة مسننة 40 ملم ، مما يسمح لها بالوقوف لمدة 30 دقيقة. صفر ارتفاع الفجوة لمقياس ريومتر باستخدام وظيفة ارتفاع الفجوة الصفرية. أضف ما يقرب من مليلتر من العينة على اللوحة السفلية وقم بخفض الشكل الهندسي العلوي لإنشاء ارتفاع فجوة يبلغ ملليمترا واحدا.
قم بقص العينة عن طريق إزالة المواد الزائدة المطرودة من بين الألواح باستخدام حافة مسطحة غير كاشطة لسحب السوائل الزائدة بعيدا عن الفجوة ، وامتصاصها بالمناديل الورقية. لتحديد قابلية حقن الحبر الحيوي ، قم بإجراء ملفات تعريف اللزوجة عن طريق تحديد اختبار Viscometry من خيارات المستخدم. أدخل المعلمات لاختبار منحدر يتم التحكم فيه بمعدل القص عند 0.1 إلى 500 في الثانية مع وقت منحدر مدته دقيقة واحدة.
قم بتحميل عينة جديدة وكرر العملية لضمان قابلية التكاثر. لتحديد خصائص التبلور للحبر الحيوي ، تم إجراء اختبارات تشوه صغيرة عن طريق اختيار اختبار التذبذب من خيارات المستخدم. معلمات الإدخال في اختبار تردد واحد تحت ضغط ثابت ، مثل تردد هيرتز واحد ، إجهاد 0.5٪ على مدار ساعة واحدة أثناء هلام الحبر.
كرر اختبار منحدر اللزوجة على عينات جديدة تحت التحكم في الضغط باستخدام الضغوط العلوية والسفلية المحددة من اختبار المنحدر المتحكم فيه بمعدل القص في الخطوة كما هو موضح سابقا. لإجراء قياسات السعة والتردد في الموقع على العينات المتبلورة ، حدد اختبار تذبذب من خيارات المستخدم. بعد تحديد مسح السعة ، أدخل المعلمات لاختبار اكتساح السعة الذي يتم التحكم فيه بالإجهاد عند 0.01 إلى 500٪ بتردد ثابت واحد هرتز.
بعد الانتهاء من الاختبار ، قم بتحليل الأطياف لتحديد المنطقة اللزجة الخطية المرنة. قم بتحميل عينة جديدة على مقياس الريومتر واتركها هلامية. ثم حدد اختبار تذبذبي من خيارات المستخدم.
حدد اختبار التردد ومعلمات تردد الإدخال بين 0.01 و 10 هرتز وسلالة داخل المنطقة اللزجة المرنة الخطية للأطياف المحددة من بيانات اكتساح السعة التي تم الحصول عليها سابقا. لتشغيل برنامج CAD ولبدء إنشاء نموذج CAD ، حدد خيار الأدوات ، ثم انقر فوق المواد في برنامج CAD لتحديد معلمات الطباعة للحبر الحيوي المختار. أدخل قطر الفتيل المقدر في علامة تبويب السمك لتحديد سمك z لكل طبقة.
لتصميم طبقة الهيكل تلو الأخرى ، استخدم علامات تبويب الطبقة في البرنامج ، وقم بتجميع الطبقات باستخدام علامة تبويب المجموعة ، وقم بتعيين كل طبقة إلى مستوى على المستوى z باستخدام علامة التبويب المستوى. قم بإنشاء بنية شبكية عن طريق إنشاء طبقة واحدة مع خيوط على طول المحور السيني وطبقة ثانية على طول المحور ص وتعيين كلاهما إلى مستوى منفصل. ضمن علامة التبويب المجموعة ، حدد ارتفاع البناء عن طريق تحديد عدد الوحدات المتكررة في الهيكل.
ثم انقر فوق أداة إنشاء لإنشاء رمز G للتصميم وعرض عرض 3D للهيكل. في الطابعة الحيوية ، قم بقسمة الحبر الحيوي في خرطوشة الطباعة ، وقم بتثبيته في رأس الطباعة أعلى الصمام الدقيق. ثم انقر فوق وظيفة قياس طول الإبرة لمعايرة رأس الطباعة.
بعد ذلك ، قم بتوصيل رأس الطباعة المجمع بنظام الضغط الهوائي ، وقم بتحميل وعاء الثقافة على منصة الطباعة. بمجرد تحديد الضغط المناسب ، افتح رمز G الذي تم إنشاؤه مسبقا ، وانقر فوق تشغيل لبدء عملية الطباعة. بمجرد اكتمال طباعة الشريان السباتي ، استخدم حقنة وإبرة لحقن ملليلتر من 200 مليمول كلوريد الكالسيوم ثنائي هيدرات حول البناء.
بعد ثلاث ساعات على الأقل ، قم بإزالة سرير دعم هلام السوائل من حول الهيكل واغسله برفق في برنامج تلفزيوني. ثم قم بإزالة البنية من حمام الدعم باستخدام ملعقة. لوحظ تصميم دقة طباعة شبكات الجينات والكولاجين كدالة لقطر الفتيل عن طريق البثق عند 30 و 60 و 120 كيلو باسكال وأظهرت النتائج أن الدقة كانت قابلة للضبط مباشرة مع التغيرات في ضغط البثق.
لتحقيق تدرج في الخواص الميكانيكية مماثلة لتلك الموجودة في الجلد ، تم استخدام نسب مختلفة من البكتين والكولاجين في طبقات الجلد وتحت الجلد ، مما أدى إلى بنية بدون أي علامة على التفريغ. لوحظ مستوى عال من صلاحية الخلية في جميع أنحاء الهيكل بعد 14 يوما من الاستزراع تصلب خلالها المواد ، مما يشير إلى إعادة تشكيل المادة. بالنسبة للريولوجيا ، من المهم أن يتم تحميل العينة بشكل صحيح لضمان البيانات القابلة للتكرار ، وبالنسبة للطباعة الحيوية ، من المهم أن يكون الهيكل مرتبطا بالكامل قبل إزالته من السرير الداعم.
يساعد استزراع تركيبات الأنسجة واسعة النطاق لفترات طويلة على استكشاف استجابة الخلايا المضمنة للمنبهات الفيزيائية والكيميائية.
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة استخدام معالجة القص في تشكيل الهيدروجيل لإنشاء مواد معلقة دقيقة يمكن استخدامها في الطباعة الحيوية. تم توضيح طرق تصنيع الأسرة الداعمة والهيدروجيل الحيوي بالتفصيل، مع إبراز أهميتها في تطوير هياكل معقدة محملة بالخلايا.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الطباعة الحيوية
- تكنولوجيا الهيدروجيل
- علم المواد
الخلفية
- الهيدروجيلات ضرورية لإنشاء هياكل تحاكي الأنسجة الطبيعية.
- يمكن للمواد قليلة اللزوجة أن تعيد الهيكلة بسرعة بعد إزالة قوى القص.
- تسمح الهيدروجيلات الحيوية المختلفة بدمج خصائص متنوعة في الهياكل المطبوعة.
- تتطلب الطباعة الحيوية الناجحة التحكم الدقيق في خصائص المواد ومعايير الطباعة.
هدف الدراسة
- استكشاف طرق تصنيع الهيدروجيل الحيوي والشبكات الداعمة.
- تبيان عملية الطباعة الحيوية باستخدام الهيدروجيل الحيوي المصمم.
- لتقييم الخصائص الميكانيكية وقابلية الهياكل المطبوعة.
الطرق المستخدمة
- القياس الريولوجي لتقييم خصائص الهيدروجيل الحيوي.
- ملامح القياس اللزجي لتحديد قابلية الحقن.
- اختبارات التذبذب لتقييم خصائص التجلط.
- النمذجة بنظام CAD لتصميم الهياكل المطبوعة.
النتائج الرئيسية
- كان يمكن ضبط دقة الهياكل المطبوعة عن طريق تعديل ضغط البثق.
- تم تحقيق خصائص ميكانيكية متدرجة باستخدام تركيبات هيدروجيل حيويّة مختلفة.
- تم الحفاظ على حيوية خلوية عالية طوال فترة الزراعة.
- أظهرت المواد خصائص إعادة التشكيل مع مرور الوقت.
الخلاصات
- تعد معالجة القص فعالة لإنشاء هيدروجيل حيويّ مناسب للطباعة الحيوية.
- يعتبر التحميل المناسب والربط متقاطع حاسمين للحصول على نتائج قابلة للتكرار.
- يمكن أن تكشف الزراعة الممتدة للهياكل الأنسجة عن استجابات الخلية للمحفزات.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Suspended 3D bioprinting using agarose fluid gels formed by shear processing enables the fabrication of complex, high-resolution tissue constructs from low-viscosity bioinks. This approach addresses a key challenge in bioprinting by providing a tunable, supportive matrix that maintains construct fidelity and allows integration of multiple bioinks for region-specific properties. The method enhances predictive confidence in early-stage tissue engineering and supports portfolio advancement by enabling reproducible, scalable workflows for advanced biomaterial development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates interrogation of bioink compatibility and mechanical property gradients in engineered tissues.
- Enables functional validation of support matrices for complex construct formation.
- Supports predictive confidence in material selection and construct design for downstream applications.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, reproducible support beds for high-resolution bioprinting workflows.
- Standardizes rheological and viscometric assessment of bioinks for quantitative assay development.
- Enables scalable screening of bioink formulations and construct geometries.
Translational & Preclinical Research
- Supports creation of tissue constructs with region-specific chemical and mechanical properties relevant to disease modeling.
- Enables long-term culture and assessment of cell viability and material remodeling in preclinical models.
- Provides continuity from discovery-stage material validation to translational tissue engineering studies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling robust hypothesis testing of bioink and support matrix combinations, supporting lead identification and validation of tissue constructs for advanced applications.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven evaluation of bioink performance and construct stability under physiologically relevant conditions.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative rheological and viscometric outputs for bioink and support matrix assessment.
- Analytics: Provides mechanical and structural readouts to compare construct fidelity and material remodeling.
- Translational Research: Aligns with preclinical requirements for tissue construct viability and functional integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for rapid prototyping and validation of new bioink formulations and construct designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in construct fidelity and material performance.
- Operational Value: Standardizes bioprinting and rheological assessment for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for bioink and construct development, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of tissue engineering programs and advanced biomaterial assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rheology, viscometry, and bioprinting instrumentation.
- Demands access to calibrated rheometers, bioprinters, and CAD modeling tools.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation and testing protocols.
- Adaptation may be needed for different bioink chemistries and construct geometries.
- Careful control of cross-linking and support removal is essential for reproducible outcomes.
