设计并制造了一种笛卡尔式生物打印机,可实现多种材料在精确且可重复的几何形状中的沉积,同时允许对环境因素进行控制。利用该三维生物打印机,可打印出复杂且具有活性的结构,并能够轻松实现重复制备。
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设计并制造了一种笛卡尔式生物打印机,可实现多种材料在精确且可重复的几何形状中的沉积,同时允许对环境因素进行控制。利用该三维生物打印机,可打印出复杂且具有活性的结构,并能够轻松实现重复制备。
组织工程已将研究重点集中于构建用于替代功能失常或受损组织的仿生结构。三维生物打印技术在组织工程中的应用,为细胞与基质的打印提供了构建仿生组织的新方法。为实现三维生物打印而开发的实体自由成形制造(SFF)技术,采用增材制造策略,通过逐层沉积细胞液滴与水凝胶的方式进行构建。生物打印的制造过程依赖于将生物材料精确地定位至三维结构中,所打印的构建物应能高度模拟天然组织中细胞与细胞外基质的复杂空间组织。本文重点介绍帕尔梅托打印机(Palmetto Printer)——一种笛卡尔式生物打印机——在制备空间有序、具有活性的构建物中的应用,同时实现对环境因素的可控调节。该方法利用计算机辅助设计与计算机辅助制造技术,以生成特定且复杂的几何结构。最终,该策略可通过可调控的打印参数,实现构建物的可重复、优化生产。
组织工程结合生物学与工程学原理,致力于开发功能性替代物,以维持、修复或增强天然组织。按需生成三维仿生结构的能力,将推动组织工程以及基于细胞的传感器、药物/毒性筛选、组织或肿瘤模型等领域的科学与技术进步。对于组织工程构建物而言,其三维结构是制备方法中的基本要素,因为必须紧密模拟天然组织中细胞与细胞外基质之间高度有序的相互作用。
可生物降解且可塑形的三维支架是构建新型组织结构的关键因素,因为细胞会迁移并形成二维细胞层,但缺乏在理想的三维环境中生长的能力。支架可作为细胞黏附和增殖的临时基底,因此必须由具有可控孔隙率和可生物降解性且具备足够力学完整性的材料制成。支架材料不应具有细胞毒性,也不应引起宿主的不良反应。水凝胶已广泛应用于组织工程技术中,由于其亲水性,水凝胶允许液体和气体在整个结构中进行交换。通过组合不同的水凝胶,可调节合成水凝胶的性能,以满足特定应用需求。
传统的组织工程方法涉及制造无细胞的多孔牺牲支架,然后在支架制备完成后接种细胞。已采用多种技术,如纤维键合、溶剂浇铸和熔融成型,但这些方法在组织工程应用中均收效甚微。纤维键合方法可使纤维按特定形状排列,但仅能制备非常薄的支架。溶剂浇铸法虽可制得高孔隙率的结构,但所制备的最大膜厚度仅为3 mm。因此,使用这些技术无法制备三维结构。熔融成型技术虽能成功制备三维支架,但所需温度过高,导致在生产过程中无法掺入生物材料。在制备完成后接种细胞的支架难以满足组织工程对具有预定义或可控微结构的三维支架的要求。固体支架接种技术的另一主要问题是缺乏血管化以及力学性能差。
生物打印技术现已通过使用无毒、可生物降解、热可逆凝胶扩展到三维层面,以克服传统方法的缺点。目前采用的一些无模成型制造技术包括激光辅助生物打印和喷墨打印。激光辅助生物打印技术利用脉冲激光源、靶板和接收基底来生成三维结构。然而,该技术存在通量低、细胞存活率低等局限性,且只能产生有限排列的制造结构,因为仅能使用光交联预聚物形成交联水凝胶。喷墨打印是一种非接触式方法,通过在基底上沉积皮升级墨滴来重现数字图像数据。然而,喷墨打印无法产生高分辨率的结构,所构建的结构易发生蛋白质快速变性,且在沉积过程中许多细胞会发生裂解。
目前,已开发出新的增材制造生物打印技术。在这些系统中,细胞、蛋白质、生长因子和仿生水凝胶通常在制造过程中被整合到基质材料中,并通过计算机控制的执行器同时沉积,以生成三维支架结构,该结构负载细胞并紧密模拟天然组织的微结构。负载细胞的水凝胶构成生物墨水,其可以是异质的(包含多种细胞类型),也可以是均质的。增材制造系统通过一次性注射器和喷头,将生物墨水逐滴或逐层沉积到可在x、y和z方向移动的计算机控制平台上。通过计算机软件,可根据具体应用需求灵活调控所打印支架的结构。与传统技术不同,三维医学影像技术(如磁共振成像、计算机断层扫描)可被整合至设计中,从而生成患者特异性的构建体。这些方法还为制造具有血管化的替代组织提供了可能,因为所构建的组织具有更高的局部细胞密度,有利于细胞间的相互作用,并提高植入后的存活率。
Palmetto 打印机是一种定制的三维多分配系统,采用可编程的机器人制造方法来生成三维异质组织结构(图1)。该系统可将多种材料以独特组合方式使用,从而制造出异质结构。生物打印机的初始化是生物打印过程中最关键的步骤之一,因为它允许设置多种参数,以优化所打印生物结构的可打印性。
生物打印机采用批次式工艺,其启动、运行和关闭流程由可编程逻辑控制器(PLC)控制,用户通过交互式触摸屏控制面板进行操作(图1, A)。为防止生物材料污染,生物打印机被封闭在正压聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)腔室内,并配备高效微粒空气(HEPA)过滤空气循环系统(图1,B,C)。打印机内部可通过内置紫外光源进行灭菌(图1,D)。生物打印机的核心部件是一个完全可编程的定位机器人,能够以10微米的精度重复定位分配喷头(图1,E)。设备配备三个分配器,利用旋转螺杆可分配低至230 nl的体积(图1,F)。每个分配器由独立计算机控制,可分别编程设定其打印参数(图1,G)。旋转螺杆分配技术通过电机驱动螺杆旋转,推动生物墨水沿注射器下行并从针尖排出。这些分配器安装在气动控制的工具架(Tool Nest)上(图2A,B),可在程序控制下使机器人切换安装于Z轴机械臂上的分配器(图1,H)。
XYZ 机器人从运行设计软件的计算机接收打印指令(图 1,I)。每个程序包含分配位置、校准程序以及分配器更换协议。所生成结构的设计主要由每个分配器将材料沉积的位置的 XYZ 坐标构成。生物打印机包含两个光学传感器(图 2C),用于确定注射器尖端末端的 XYZ 坐标。这些传感器将坐标信息发送给机器人,机器人利用这些信息计算分配器尖端末端的位置。另有一个位移激光器(图 2D),可投射波长为 633 nm、光斑尺寸为 30 × 100 微米的红色二极管激光束,测量精度达 0.1 微米。当光束高度聚焦时,机器人可确定打印表面的 Z 距离。该测量值与光学传感器对尖端末端在 Z 方向的测量结果相结合,可用于计算准确的 Z 坐标,从而精确定位分配器尖端相对于打印表面的位置。分配器尖端通过 X 轴方向的光学传感器进行横向和垂直移动,以确定 Y 和 Z 中心,并通过 Y 轴传感器进行横向移动,以确定 X 轴的中心。打印表面通过三维空间中平面方程 ax + by + cz = d 进行映射,以确定表面相对于分配器尖端末端位置的空间关系。打印机载物台(图 1,J)可容纳直径最大为 80 mm 的样品培养皿,并通过循环水浴维持设定温度(图 1,K)。载物台温度可在 -20 范围内设定,并保持稳定。机器人 Z 臂上安装有一个 USB 摄像头,可在打印过程中提供分配器尖端的放大视图(图 1,L)。在腔室内部顶部还安装有第二个摄像头,可在打印过程中提供生物打印机的完整视野(图 1,L)。
计算机辅助设计绘图软件可确定沉积模式,并允许用户生成间距递增的液滴和复杂结构(图3)。三维路径可手动编码至与打印机兼容的设计软件中,或从其他计算机辅助设计绘图软件导入(图4,表1)。与打印机兼容的软件可调节多种打印参数,例如沉积方式(单液滴沉积或连续路径沉积)、路径的三维几何形状、沉积速率、注射器尖端与基底打印表面之间的距离、单个液滴沉积所需时间,以及液滴沉积之间注射器抬升的高度和速度。每个程序均包含XYZ方向的分配位置、探针校准程序和分配器更换协议,可在打印过程中提供无需操作者干预的无菌环境。机器人的可编程逻辑控制器(PLC)接收运行设计软件的计算机发出的指令,并控制来自外部控制器(例如, 分配器)的事件时序。为此,PLC采用循环机制来控制分配器、机器人定位装置以及环境因素。
利用旋转螺杆液体分配系统进行三维直接书写式生物打印,使得细胞沉积过程比以往方法更高效、更精确且更简便。本研究表明,该定制生物打印机能够生成具有高细胞活性的含细胞水凝胶结构。
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1. 用于海藻酸盐水凝胶三维生物打印的明胶基底制备
2. 藻酸盐氧化
未反应的高碘酸钠的量是 
3. 藻酸盐-多肽偶联
4. 人脂肪组织基质细胞(hADSCs)的培养
5. 生物打印机设置
6. 细胞活力评估
7. RGD 肽偶联分析
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结果表明,该生物打印机能够利用计算机辅助软件,准确且一致地将含细胞水凝胶沉积到特定的三维位置。这些软件可确定每个液滴的放置位置,并控制分配过程中的多个参数(图3,4)。生物打印机在组织工程应用中能否成功,其关键在于对生物材料进行精确沉积的可重复性。
细胞活性是成功生物打印技术所需满足的条件之一,在打印后1小时和8天进行了分析。高细胞活性对于构建仿生结构至关重要,也是生物墨水性能良好的直接体现。RGD肽的偶联可通过促进细胞铺展,从而在较长时间内提高细胞活性。采用荧光显微镜对打印后结构中的细胞活性进行定量分析。浓度为15%、氧化度为5%的海藻酸盐生物墨水在第0天的细胞活性为98%,第4天为96%,第8天为95%(图5)。这些结果表明,直接书写式生物打印机的沉积技术能够温和地挤出细胞,从而生成在打印过程中及打印后均保持活性的结构(图1、2)。高细胞活性说明氧化度5%、浓度15%的海藻酸盐生物墨水是适合细胞沉积的载体,为细胞存活提供了适宜的环境。各区域中相似的细胞数量表明海藻酸盐生物墨水中...
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组织工程的主要目标是通过开发能够恢复、维持或改善天然组织功能的生物替代物,来弥补器官短缺与移植需求之间的差距。这推动了具有复杂且解剖学上精确的外部几何结构的支架的直接制造,并实现了对内部结构的精确控制。三维生物打印是一种基于数字模型,通过逐层堆积的方法,生成各种尺寸和形状的三维结构的技术。三维仿生结构的构建在组织工程的发展中起着至关重要的作用。
设计过程中的若干关键方面会影响所生成结构的仿生功能。控制生物材料和基底温度的能力对于水凝胶的凝胶化机制及其力学性能的维持至关重要,从而影响细胞在水凝胶内的分布、增殖和分化。由于器官由多种细胞类型组成,多个分配装置对于构建异质性、类组织结构至关重要。对外部结构进行计算机辅助设计,可实现针对不同创面或组织定制化组织替代物的制造,这对于开发患者特异性替代物至关重要。内部结构同样重要,因为它通过将适当的细胞紧密接触地定位在一起,影响结构内的细胞-细胞相互关系,并允许细胞形成 体内-样细胞间连接。细胞的精确定位决定了它们之间如何相互通讯并形成网络,从而构建血管网络,并模拟其在天然组织中的生物活性。三维生物打印可实现细胞在生物墨水中的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了以下资助:美国国家科学基金会授予的 EPS-0903795 号基金、美国国立卫生研究院国家牙科与颅面研究所 R01-DE019355 基金(项目负责人:MJY)以及 8P20 GM103444 号基金(项目负责人:YM)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 定位机器人 (JR2000 XYZ) | Janome | ||
| 分配器:SDAV 线性驱动 SmartDispensers | Fishman Corporation | ||
| 光学传感器: | Keyensce | ||
| 位移激光器:OD Mini | SICK | ||
| 循环水浴:Polystat | Cole-Parmer | EW-12122-02 | |
| USB 相机:Dino-Lite Premier 5MP | AnMo Electrionics/YSC Technologies | AD7013MT | |
| 打印机兼容的计算机设计软件:JR-C Points | Janome | 随 Janome 机器人购买附赠 | |
| 计算机辅助设计绘图软件:Visual PathBuilder | RatioServ | 可从以下网址下载:www.ratioserv.com/index.php/downloads | |
| 打印机用 3 cc 注射器: | Fishman Corporation | 122051 | |
| 22 G 分配器吸头 | Fishman Corporation | Z520122 | |
| 二水合氯化钙 | 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 | |
| Protanal LF 20/40 海藻酸盐(海藻酸钠) | FMC BioPolymer | 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 | 使用前保存于液氮中。 |
| 杜氏改良伊格尔培养基 | Gibco Life Technologies | 11965-092 | 使用前在 37 °C 水浴中预热。 |
| 胰蛋白酶/EDTA | Lonza | CC-5012 | 使用前在 37 °C 水浴中预热。 |
| Calcein AM | Gibco Life Technologies | C3100MP | 使用前避光保存于 -80 °C。 |
| 活/死哺乳动物细胞活力检测试剂盒 | Invitrogen Life Technologies | L-3224 | 使用前避光保存于 -80 °C。 |
| MES 水合物 | Sigma-Aldrich | M2933 | |
| N-羟基琥珀酰亚胺 | Sigma-Aldrich | 130672 | |
| 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺 (EDC) | Sigma-Aldrich | E1769 | 10 G |
| 杜氏磷酸盐缓冲液,含钙,含镁 | Life Technologies | 14040133 | 使用前在 37 °C 水浴中预热。 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液,无钙,无镁 | Life Technologies | 14190144 | 使用前在 37 °C 水浴中预热。 |
| RGD 肽 | International Peptides | ||
| Alexa Fluor 546 鬼笔环肽染色剂 | Invitrogen Life Technologies | A22283 | 使用前保存于 -20 °C |
| (4’,6-二脒基-2-苯基吲哚,二盐酸盐) (DAPI) 染色剂 | Life Technologies | R37606 | 使用前保存于 -20 °C |
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