笛卡尔生物打印机的设计和制造允许以精确、可重复的几何形状沉积多材料,同时还允许控制环境因素。利用 3D 生物打印机,可以打印并轻松复制复杂且可行的结构。
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笛卡尔生物打印机的设计和制造允许以精确、可重复的几何形状沉积多材料,同时还允许控制环境因素。利用 3D 生物打印机,可以打印并轻松复制复杂且可行的结构。
组织工程专注于构建非功能性或受损组织的替代品。三维生物打印在组织工程中的应用催生了打印细胞和基质以制造仿生组织结构的新方法。为三维生物打印开发的固体自由曲面制造 (SFF) 方法使用增材制造方法,通过逐层沉积细胞和水凝胶液滴。生物打印制造取决于生物材料在三维结构中的特定放置,打印结构应密切模拟天然组织中细胞和细胞外基质的复杂组织。本文重点介绍了 Palmetto 打印机(一种笛卡尔生物打印机)的使用,以及生产空间组织、可行结构的过程,同时允许控制环境因素。这种方法利用计算机辅助设计和计算机辅助制造来生成这些特定和复杂的几何形状。最后,这种方法允许通过可控打印参数优化制造结构的可重复生产。
组织工程使用在功能替代品的开发生物和工程的原理来维持,恢复或提高天然组织和。产生按需三维仿生结构将有助于在组织工程中以及在基于细胞的传感器,药物/毒性筛选,组织或肿瘤模型和其他科学和技术进步的能力。三维组织工程构建的组织是制造方法的一个基本组成部分,因为它必须密切模仿细胞外基质的天然组织的高度组织的相互作用。
可生物降解的和成形的三维支架是在产生新的组织构建因为细胞迁移以形成一个二维的细胞层的关键因素,但缺乏在偏爱三维生长的能力。该支架用作小区的临时基础附着和增殖,因此它必须从材料具有可控孔隙率和生物降解性,和足够的机械IntegrIT公司构成。该支架材料不应该是细胞毒性或创建从主机有不良反应。水凝胶已被普遍使用在组织工程技术,并且由于它们的亲水性,水凝胶允许整个所有制结构流体和气体交换。通过结合不同的水凝胶,合成水凝胶的属性均可修改,以满足不同的应用需求。
传统的组织工程方法涉及创建所用细胞接种后fabricatio脱细胞多孔牺牲支架。许多技术已经被采用,例如纤维粘结,溶剂浇铸和熔融模塑,但被证明是用于组织工程应用最低限度地成功。纤维粘合方法允许纤维在特定的形状对齐,但它们仅能够促ducing非常薄的支架。溶剂浇铸方法产生高度多孔结构,然而最大产生膜仅为3毫米THIC。因此,使用这些技术制造的三维结构是不可行的。熔融模制技术生产三维支架被证明是成功的,但需要这样的高温下不能在生产PROCES掺入生物材料。支架接种后加工在其满足组织工程学的要求的能力,产生三维支架与预定义或控制的微观结构和有限。凭借雄厚的脚手架播种技术的另一个主要问题是血管和机械差的不足。
生物印刷已经被通过使用无毒的,可生物降解,热可逆的凝胶,以克服常规的缺陷扩展到三维。少数的实体自由成形制造牛逼目前所采用的echniques是激光辅助生物印刷和喷墨印刷。激光辅助生物印刷技术使用一个脉冲激光源,一个目标板,以及一个接收衬底,以产生立体感。然而,这种技术是由于低的吞吐量,低细胞存活率限定,只能生产制造的结构的有限的安排,因为只有光交预聚物可用于形成交联的水凝胶。喷墨印刷是作为其通过沉积皮升墨再现的基板上的数字图像数据的非接触方法。然而,喷墨印刷不产生高分辨率构建体,构建体经历快速蛋白质变性,和许多细胞的沉积期间被裂解。
目前,新的添加剂制造生物印刷方法已经被开发出来。在这些系统中的细胞,蛋白质,生长因子,和仿生水凝胶典型地集成到矩阵脑膜IALS在制造过程中,用计算机控制的执行器来生成三维支架基细胞载货结构紧密模仿原生的微架构同时沉积。细胞载货水凝胶构成了生物油墨,可以是异质的,由多种细胞类型,或同质的。添加剂制造系统存款生物油墨滴逐滴或层 - 层经由一次性注射器和提示到计算机控制的阶段能够移动在x,y和z方向上的。通过计算机软件,印刷支架的结构可以很容易地根据应用的要求进行操作。不像常规技术,三维医疗技术(核磁共振成像,计算机断层扫描)可以被并入到设计中,生成患者特异性构建体。这些方法也允许制备血管替换的可能性,因为构建体产生具有较高升OCAL细胞密度,从而使细胞 - 细胞相互作用和改善植入后surviva的可能性。
帕尔梅托打印机是使用可编程的机器人的制造方法,以生成三维多相组织构建(图1)一个定制三维多分配器系统。它允许使用多种材料中的独特的组合,以产生异质结构。在生物印刷器的初始化是生物印刷中,因为它允许您设置各种参数,以优化bioprinted结构的印刷适性最重要的步骤之一。
的生物印刷器包括间歇式过程由可编程逻辑控制器(PLC),该用户操作通过交互的触摸屏控制面板上(图1中的A)受控启动,运行和关闭序列。为了防止生物污染的生物印刷器被封闭在带正压力有机玻璃逻辑材料(PMMA)室与高效微粒计重(HEPA)-filtered空气循环系统(图1,B,C)。打印机的内部可以使用内置的紫外线光源(图1 中的D)进行消毒。的生物印刷器的主要组成部分是一个完全可编程的定位机器人,可以再现地放置一个分配端具有10微米(图1 的E)的精度。有三个分配器,其能够沉积体积低至使用旋转螺杆230 NL(图1 中的F)。它们是独立可编程使用支配印刷参数为每个分配器(图1,G)的 单独的计算机。旋转螺杆式分配利用一个马达驱动螺杆旋转生物油墨向下注射器和出注射器尖端的移动。这些分配器被安装在一个气动LY控制工具巢(图2A,B)中 ,使机器人以切换分配器安装到程序控制(图1 中的H)下的Z轴机械臂。
XYZ表机器人接收从计算机上运行设计软件打印指示( 图1,I)。每个程序都包含分配位置,校准程序,和饮水机变化的协议。产生构建体的设计主要是由XYZ坐标,其中每个分配器将沉积材料。的生物印刷器包括两个光学光传感器(图2C),该确定注射器前端的XYZ坐标。这些传感器发送坐标信息的机器人,它利用这些来计算分配端端部的位置。有一个附加的位移激光器(图2D),该凸出点尺寸的633纳米二极管红色激光束30×100微米,测量与ACCURA距离CY 0.1微米。当光束高度集中在机器人确定打印表面的Z方向的距离。该测量中,与前端部Z中的光学光传感器测量,允许精确ż计算坐标用来放置分配器触头相对于印刷表面。分配器尖端横向移动和垂直地通过X轴导向光学光传感器找到Y和Z的中心,并且横向穿过一个Y轴传感器来找到X轴的中心。斧+用+ CZ = d,来确定所述表面是相对于分配头端的位置:印刷面使用以下公式中的xyz空间中的平面映射。打印机阶段(图1,J),持有样品培养皿达80毫米的直径,并且使用循环水浴,以保持设定的温度(图1,K)。阶段温度可以在范围-20内设定并保持在稳定的。有一个USB摄像头安装到机器人的Z-臂,以提供分配尖端的打印过程(图1 中,L)的放大图。有一个第二照相机安装朝向腔室内部提供在印刷过程中(图1,L)上的生物印刷器的完整视图的顶部。
甲计算机辅助设计绘图软件确定沉积图案,并允许用户生成增量间隔开的液滴和复杂的结构(图3)。三维途径可以手动编码到打印机兼容的设计软件或从单独的计算机辅助设计绘图软件(图4, 表1)导入。打印机兼容的软件允许的印刷参数的变化,例如在注射器前端和实名词之间的沉积方法(单个液滴沉积或连续通路沉积),三维的通路的几何结构,沉积速率,距离率打印表面,以沉淀单个下降,并且高度和速度的注射器时间量被抬起的液滴的沉积之间。每个程序都包含XYZ点胶的位置,提示校准程序,和饮水机变化的协议来提供一个无菌的环境,无需操作员干预,在打印过程中。机器人的可编程逻辑控制器(PLC)接收运行设计软件从计算机指令,并控制事件的来自外部控制器的时序(例如,分配器)。为了做到这一点,PLC使用一个循环机制来控制分配器,机器人定位装置,和环境因素。
利用旋转式螺杆,液体配送系统的立体直接写入生物印刷允许更高效,准确,并比以前的方法更简单的细胞沉积的过程。这项研究显示了定制的生物印刷器能够产生行政长官LL-载货水凝胶结构具有较高的细胞活力。
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1.制备明胶含有底物的藻酸盐水凝胶的三维生物印刷
2,海藻酸氧化
。的未反应的高碘酸钠的量为
3.海藻酸肽共轭
4.人体脂肪组织基质细胞(hADSC的)细胞培养
5.生物印刷器安装
6.细胞活性评估
7. RGD肽共轭分析
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结果证实了生物印刷器能够精确地沉积在特定的三维位置细胞载货水凝胶和始终如一地利用计算机辅助软件。这些软件决定了放置每个液滴并控制许多参数的分配( 图3,4)。的生物印刷器的重复性适当沉积的生物材料是根本其在组织工程应用的成功。
细胞活力,一个成功的技术,生物印刷的要求之一,分析1小时和8天后打印。高细胞活力是用于制造仿生构建必要的,是适当的生物油墨的直接表示。 RGD肽结合在一段时间通过促进细胞扩散过长提高细胞活力。荧光显微镜来定量细胞活力在印刷过程之后的结构。海藻酸钠生物油墨用精矿的15%和5%的氧化通货膨胀有天0生存能力98%,96%4天,和95%8天( 图5)。这些结果表明的直写生物印刷器的沉积技术挤出细胞轻轻足以产生期间和打印过程后保持存活的构建体(图1,2)。高细胞活力表示5%的氧化和15%浓度的藻酸盐生物油墨是一个合适的载体用于细胞沉积和提供用于细胞存活的适当环境。在每个区域相似的细胞计数显示在藻酸盐生物油墨均匀细胞分布,打印分辨率的一...
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组织工程的主要重点是通过开发能够恢复,维持或提高当地组织函数的生物替代品来弥补器官短缺和移植需求之间的差距。这导致了支架的具有复杂,解剖学上正确的外部几何形状,而在它的内geometr精确控制的直接制造。三维生物印刷是用于使用层 - 层approac从数字模型生成各种尺寸和形状的三维结构的方法。三维仿生构建体的制造起着组织工程的进步至关重要的作用。
有设计过程,影响所产生的构建体的仿生函数的关键方面。以控制生物材料和基板的温度的能力对于水凝胶的胶凝机制和它们的我的维护必要械性能,因此影响细胞分布,增殖和水凝胶内的分化。器官由许多细胞类型的,所以多个分配器可用于制备异构的,组织样结构是至关重要的。外部结构的计算机辅助设计允许生产定制组织替代不同的伤口或组织。这是患者特异性的替代品的发展至关重要。内部架构也是同样重要的,因为它通过将合适的细胞彼此紧密接触,并允许他们在体内形成样细胞-细胞连接的影响结构内的细胞-细胞之间的关系。细胞的精确位置决定了细胞如何沟通和网络互相形成血管网络,并模仿它们的生物活性的天然组织。三维生物印刷提供了生物油墨内均匀分散的细胞,以及对空间p...
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作者没有什么可透露的。
这项工作是由下批准号:EPS-0903795荣获由美国国家科学基金会,美国国立卫生研究院NIDCR R01-DE019355(MJY PI),和格兰特8P20 GM103444(YM PI)政府的支持来支持的。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 定位机器人 (JR2000 XYZ) | Janome | ||
| 分配器:SDAV 线性驱动 SmartDispensers | Fishman Corporation | ||
| 光学光传感器: | Keyensce | ||
| 位移激光器:OD Mini | SICK | ||
| 循环水浴:Polystat | Cole-Parmer | EW-12122-02 | |
| USB 摄像头:Dino-Lite Premier 5MP | AnMo Electrionics/YSC Technologies | AD7013MT | |
| 打印机兼容计算机设计软件:JR-C 积分 | Janome | 购买 Janome 机器人 | |
| 计算机辅助设计绘图软件:Visual PathBuilder | RatioServ | 可在以下网址下载:www.ratioserv.com/index.php/downloads | |
| 打印机 3 cc 注射器: | Fishman Corporation | 122051 | |
| 22 G 分配器尖端 | Fishman Corporation | Z520122 | |
| 钙二水 | 合物 Sigma-Aldrich | 10035-04-8 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 猪明胶 | Sigma-Aldrich | 9000-70-8 | |
| 二氧化钛 | Sigma-Aldrich | 13462-67-7 二氧化钛 Sigma-Aldrich 13462-67-7 | |
| 乙酰醛 LF 20/40 海藻酸盐(海藻酸钠) | FMC 生物聚合物 | 9005-38-3 | |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 7647-01-0 | |
| 乙二醇 | Mallinckrodt Baker, Inc | 9300-01 | |
| 高碘酸钠 | Sigma-Aldrich | 7790-28-5 | |
| hADSC | Lonza | PT-5006 | 储存在小瓶中的液氮中直至使用。 |
| Dulbecco's 改良 Eagle's 中号 | Gibco Life Technologies | 11965-092 | 暖色 37 度;C 使用前清水。 |
| 胰蛋白酶/EDTA | Lonza | CC-5012 | 37 °C 温C 使用前清水。 |
| 钙黄绿素 AM | Gibco Life Technologies | C3100MP | 在 -80 °C 直到使用。 |
| 活/死哺乳动物活力检测试剂盒 | Invitrogen Life Technologies | L-3224 | 在 -80 &°g 的黑暗中储存;C 直到使用。 |
| MES水合 | 物 Sigma-Aldrich | M2933 | |
| N-羟基琥珀酰亚胺 | Sigma-Aldrich | 130672 | |
| 1-乙基-(二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC) | Sigma-Aldrich | E1769 | 10 克 |
| Dulbecco的磷酸盐缓冲盐水,+钙,+镁 | Life Technologies | 14040133 | 37 °C温暖;C 使用前清水。 |
| Dulbecco的磷酸盐缓冲盐水,-钙,-镁 | Life Technologies | 14190144 | 37°C温暖;C 使用前清水。 |
| RGD Peptides | International Peptides | ||
| Alexa Fluor 546鬼笔环肽染料 | Invitrogen Life Technologies | A22283 | 商店高度为-20 °C 直到使用 |
| (4',6-二脒基-2-苯吲哚,二盐酸盐)(DAPI) 染色 | Life Technologies | R37606 | 储存在 -20 度;C 直到使用 |
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