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方法文章

用于转化研究中可溶性基底膜提取物生物打印的容积式挤出生物打印机的设计与验证

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DOI:

10.3791/67788

2025年3月28日

本文内容

摘要

可溶性基底膜提取物是癌症研究中最常用的生物基质,但其复杂的流变行为使得在商业化的生物打印系统上进行生物打印十分困难。本研究提出了一种定制化的生物打印策略,能够以良好的形状保真度制备出单层和多层的纯基质结构。

摘要

在转化研究中,3D 体外 模型对于推动科学认知和治疗手段的开发至关重要。为此,源自小鼠肉瘤细胞的可溶性基底膜提取物(SBMes)在模拟体内微环境的力学和生化特性方面发挥着关键作用。 在体内 微环境。它们在从组织工程到药物测试的多种研究领域中具有重要价值。特别是在癌症研究中,它们已成为基础性工具,因为该领域广泛使用的传统二维细胞培养可能提供误导性信息,因其无法模拟三维(3D)结构和肿瘤微环境。

在癌症研究中,有效的三维 体外 模型对于深入理解癌症演化过程及预测药物耐药机制等挑战至关重要。类器官已成为一种具有前景的三维 体外 模型,能够更准确地反映肿瘤生物学特性。它们在SBMes中生长,因为SBMes可形成一种使细胞能够生长并自组织为三维结构的环境。然而,SBMe存在显著挑战,包括机械性能较低和复杂的流变行为,从而限制了其在市售的气动挤出式生物打印系统中的应用。

为解决这些局限性,我们开发了一种低成本、体积可控的生物打印系统及使用SBMe打印结构的特定方案。该系统基于体积式挤出装置,克服了传统气动驱动方法的局限性。系统在组装完成后,通过特定g代码编程,可对纯化或稀释的SBMe进行生物打印,从而获得单层或多层结构。该方法为构建三维细胞培养模型提供了更可靠且可扩展的技术途径,有助于更有效地开展新型治疗方法和药物测试的研究。

引言

在转化研究中,构建能够紧密模拟体内环境的三维体外模型对于推动科学认知和治疗手段的开发至关重要1。构建这类模型的关键在于使用细胞外基质(ECM)类似物,例如可溶性基底膜提取物(SBMes),它们能更真实地反映天然组织的复杂性。SBMes 在从组织工程到药物测试等多种研究领域中具有重要价值2,3。尤其在癌症研究中,SBMes 已成为基础性材料,因其可模拟肿瘤微环境的力学和生化特性,从而支持构建更能真实反映肿瘤生长、转移及治疗反应的模型。

事实上,尽管过去几十年取得了显著进展,许多疗法仍不断失败,导致临床治疗中频繁出现治疗失败。这种失败通常归因于由细胞高度异质性引起的耐药机制。4,5有效的 体外 能够准确重现人类肿瘤复杂性的模型,对于深入理解癌症演化并预测这一现象至关重要。

传统的二维细胞培养在癌症研究中具有基础性作用,但由于无法模拟真实肿瘤的三维结构和微环境,可能产生关于药物疗效和肿瘤行为的误导性信息6,7,8。相比之下,三维体外(in vitro)模型已成为有前景的替代方法,通过模拟三维复杂性,更准确地再现肿瘤微环境及其生物学行为9,10

在癌症研究中,类器官被广泛用作三维模型,以研究疾病机制和药物疗效,因为它们能够更准确且更真实地模拟人体组织和器官。源自Engelbreth-Holm-Swarm小鼠肉瘤细胞的可溶性基底膜提取物(SBMe)在推动癌症研究方面发挥了关键作用11,12。SBMe提供了一种凝胶状基质,使细胞能够在其中生长、增殖并自组织形成类器官结构,从而确保其正常发育和生长13,14

然而,由于可溶性基底膜提取物(SBMe)具有独特且复杂的特性,其应用面临诸多挑战。作为一种非牛顿流体,SBMe表现出剪切稀化特性,即其黏度随剪切应力的增加而降低,导致在不同外力作用下其操作和施用过程不一致。此外,其触变性进一步增加了复杂性,因为在剪切应力移除后,其黏度会随时间逐渐恢复15,16。这些特性,结合较低的机械强度(储能模量值根据蛋白浓度在10 Pa至5,000 Pa之间变化)以及对温度敏感的性质,加剧了操作难度,因此在制备、使用以及直接进行生物打印时需要极为精细的控制。

标准的气动驱动式生物打印系统无法精确控制SBMe的分配,因为施加压力会导致材料从注射器中喷出后出现不可控的行为。这种现象类似于聚合物熔体中所描述的“突喷”效应,即当压力超过某一临界值时,流速会突然增加17,18,19。正如我们在先前的研究中所述16,体积控制式分配策略能够将SBMe的挤出过程与分配器内因基质流变特性、工作条件和喷嘴几何结构而产生的压力解耦。近年来,市场上已有多项尝试采用相同原理,其中以Corning公司的Matribot系统处于领先地位。该系统通过精确控温条件,可实现对SBMe及其他温度敏感型生物墨水的操作与沉积。然而,其成本较高,可能限制了小型实验室的获取与使用。

在我们之前发表的论文中,我们提出了一种低成本的定制替代方案——一种基于体积控制的生物打印系统16。该版本基于一台经过改装的入门级3D打印机,并配备了一个定制的3D打印挤出装置。尽管该系统在生物打印方面具有良好的效果,但在打印重复性方面仍存在一些局限性。由于其源自入门级3D打印机,因此在Z轴运动和自动归位方面存在一些问题。为满足这些需求,我们开发了该定制低成本体积分配系统的升级版本,并建立了利用SBMe进行生物打印结构的特定实验方案。

本文提供了该系统的构建与使用方案。该系统由基于先前研究16的定制容积控制挤出装置、生物打印仪外壳和控制系统组成。各模块分别进行生产和组装。按照基质操作的方案说明,将系统组装并用特定的gcode文件编程后,可使用SBMe精确打印出形态保真度良好的单层或多层纯或稀释结构。

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方案

1. 体积生物打印机的3D打印与组装

  1. 准备并3D打印生物打印机的组件。
    1. 补充文件1下载 *.STL 设计文件。
    2. 将 *.STL 文件载入专有的切片软件中,以定义零件在打印平台上的方向以及3D打印机所需的所有选项。使用聚乳酸(PLA)材料,并采用中等质量设置(0.4 mm 喷嘴尺寸,1.75 mm 耗材直径,220 °C 挤出机温度,50 °C 打印床温度,0.2 mm 层高,300 mm/s 打印速度)进行打印。
      注:中等质量设置可能因所使用的打印机型号而异。
    3. 将打印完成的零件从3D打印机平台取下。如有支撑结构,需将其移除,并在必要处对表面进行抛光处理。
  2. 组装挤出机(图1)。
    1. 将两个直线球轴承(LM4UU)插入推块的垂直孔中。同时将一个T8丝杆螺母插入后部中央孔,并用四颗螺丝(M3x10)固定。
    2. 将刚性轴联轴器安装到步进电机上,然后使用四颗螺丝(M3x6)将其紧固至挤出电机外壳上。
      注:应根据挤出电机外壳上的凹槽方向正确安装步进电机,以便为电缆插头提供合适的位置。
    3. 使用之前插入的刚性轴联轴器,将步骤1.2.2中已组装的步进电机与一根T8丝杆(150 mm)连接。确保每个部件均通过紧定螺钉牢固固定。
    4. 使用两颗螺丝(M4x8)将一个自对中法兰轴承(8 mm内径)安装在挤出机底座底部。
    5. 将两个球轴承(4 × 9 × 4 mm)插入挤出机底座顶部的特定孔中,另两个插入下部区域的孔中。
    6. 将步骤1.2.1中已组装的部件通过结构上部的空腔插入挤出机底座。使用两根4 mm的杆(每侧一根)连接四个球轴承(步骤1.2.5)。让杆穿过步骤1.2.1中已组装部件内的两个直线球轴承。
      注:也可先将杆插入上方两个球轴承,再将整个组件放入挤出机底座,直至杆到达底部轴承并卡入指定槽位。
    7. 将步骤1.2.3中已组装的部件插入挤出机底座的中央孔。旋转丝杆,使其穿过丝杆螺母并到达自对中法兰轴承。使用该组件上的紧定螺钉锁定丝杆,并使用两颗螺丝(M3x8)将挤出电机外壳固定在挤出机底座顶部。
    8. 使用另外两颗螺丝(M3x40)和M3螺母将注射器筒夹具固定在挤出机底座底部,以锁紧注射器筒法兰(安装方向为从上至下)。使用另外两颗螺丝(M3x30)和M3螺母将注射器活塞夹具固定在推块的上部孔中(安装方向为从下至上),以锁紧推杆法兰。
    9. 将两颗螺丝(M4x80)穿过两个弹簧,并使其穿过挤出机底座底部和注射器块上的孔。拧紧螺母时保留适当空间,以防止注射器块滑动。
      注:螺丝必须从后向前穿入。
  3. 组装X轴(图2)。
    1. 在X_Left_Block和X_Right_Block部件的上下孔中各插入两个直线球轴承(LM8UU × 24 mm),共四个。同时使用螺丝(M2x10)在X右块和X左块顶部各安装一个皮带块,预留皮带空间。
    2. 在X_Right_Block的中央孔中每侧各插入一个球轴承(5 × 16 × 5 mm)。将一个皮带轮(内径5 mm)放置于X_Right_Block的内腔中,并使用一根5 mm直径、35 mm长的杆连接两个球轴承,使杆穿过皮带轮。
      注:组装时可使用更长的杆以便操作。待部件定位完成后,再将杆裁剪至所需长度。
    3. 使用两颗螺丝(M3x8)将限位开关固定在X_motor_housing上。将NEMA 17电机插入电机外壳,并使用四颗螺丝(M3x8)将X_block_1盖板固定在电机外壳和电机上。
    4. 将一个皮带轮(内径5 mm)安装到电机轴上,并用紧定螺钉锁紧。然后使用四颗螺丝(M5x8)将步骤1.3.3中已组装的部件与X_block_1连接。同时使用两颗螺丝(M3x8)将另一个限位开关安装在X_Left_Block底部。
      注:步骤1.3.2和1.3.4中的皮带轮外径必须相同。
    5. 在X_slider的顶部和底部孔中各插入一个直线球轴承(LM8UU × 45 mm)。
    6. 使用两根8 mm直径、200 mm长的杆连接步骤1.3.2和1.3.4中已组装的部件,并让杆穿过步骤1.3.5中已组装的部件。
      注:在组装前应先将杆裁剪至所需长度。
    7. 使用皮带块和两颗螺丝(M2x8)将皮带一端固定在X_slider_belt_connection上。将皮带绕过步骤1.3.4中已组装部件的皮带轮,再绕过步骤1.3.2中已组装部件的皮带轮,然后使用第二个皮带块和另外两颗螺丝(M2x8)将皮带另一端固定在X_slider_belt_connection上。确保皮带张紧适当,以实现准确运动。
      注:在此步骤中,应将X_slider移至X轴结构的一端,以避免干涉。
    8. 使用一颗螺丝(M6x20)将X_slider_belt_connection固定在X_slider上。
    9. 将挤出机连接至X_slider,并使用四颗螺丝(M5x10)固定。
  4. 组装Y轴(图3)。
    1. 使用四颗螺丝(M3x10)和四个螺母将固定支架安装在生物打印机上部后侧部分。
      注:可调整固定支架的位置,以获得适当的皮带张力并便于步进电机的安装。
    2. 将步进电机插入固定支架,并使用四颗螺丝(M3x8)固定。随后,在曲轴上安装一个皮带轮(内径5 mm),并用紧定螺钉固定。
      注:为避免组件间干涉,可在将电机装入固定支架前先将皮带轮安装在曲轴上。
    3. 在前部8 mm杆上安装两个皮带轮(8 mm内径),并将其固定在距杆端2.5 cm处。对后部杆重复此操作,并在距右端5 cm处增加一个皮带轮。
    4. 将12个自对中法兰轴承(8 mm直径)安装在生物打印机内部上部位置。
    5. 使用步骤1.4.3中已组装的杆连接两个上部前侧和两个上部后侧的生物打印机部件(方向为左右),并将它们固定在自对中法兰轴承(8 mm直径)上。在所有连接处使用螺丝(M3x8)进行加固。
      注:安装后部杆时,应放置一条闭合皮带,连接步进电机上的皮带轮与杆上的内侧皮带轮。
      注:通过拧紧螺母固定步进电机,确保电机无位移且皮带张力适当。
    6. 使用四根8 mm杆连接步骤1.4.5中已组装的两个部件。让杆穿过步骤1.3中已组装部件内的直线球轴承,并将其固定在自对中法兰轴承(8 mm直径)上。在所有连接处使用螺丝(M3x8)进行加固。
    7. 使用皮带块将一条开放式皮带的一端固定在X_block_1上部,并对X_block_2重复此操作。将皮带依次绕过后部左侧皮带轮和前部皮带轮,再用另一个皮带块将皮带另一端固定回X_block_1。对第二条皮带重复此操作。
      注:两条皮带必须张紧适当,以确保Y轴运动准确,且长度一致,避免弯曲或运动干涉。
  5. 组装Z轴(图4)。
    1. 使用螺丝(M4x8)将生物打印机底部外壳部件固定在一起。
    2. 将一个自对中法兰轴承(8 mm直径)安装在步骤1.5.2中已组装部件的底部平面上。
    3. 使用螺丝(M3x8)将两个带法兰的直线球轴承(LMH8UU)固定在Z_slider的外部孔中,并将一个丝杆螺母固定在中央孔中。
    4. 使用两颗螺丝(M3x8)将限位开关固定在Z_plane左侧。
    5. 将步进电机与刚性轴联轴器连接。使用四颗螺丝(M3x20)将步进电机固定在Z_block上,并将螺纹杆连接至刚性轴联轴器。确保每个部件均通过紧定螺钉牢固固定。
    6. 使用两根8 mm杆将步骤1.5.5中已组装的部件连接至生物打印机底座。让杆穿过步骤1.5.3中已组装的部件。
    7. 使用两颗螺丝(M5x8)将Z_block固定在背板上。
    8. 使用四颗螺丝(M3x25)将Z_plane与Z_slider连接。从上至下将螺丝插入Z_plane的孔中,在Z_plane与Z_slider之间放置弹簧,并用螺母固定。调节弹簧张力以调平平台。
    9. 在生物打印机结构底部的特定凹槽中安装四个可调脚垫。通过调节脚垫使生物打印机水平。
    10. 使用八颗螺丝(M4x12)将已组装的部件与步骤1.4.6中已组装的部件连接。
    11. 在结构前部特定位置安装两个铰链,并在右侧相应位置安装一个磁铁(使用螺丝M2x8)。使用螺丝将整个结构与2 mm厚的透明有机玻璃板连接,以封闭开口。
      注:将前部有机玻璃面板连接至铰链,并在磁铁对应位置安装另一颗螺丝,形成前门。
  6. 安装显示屏(图5A)。
    1. 将连接至显示屏的线缆穿过底部孔洞,并使用四颗螺丝(M3x3)将显示屏固定在显示屏外壳中。
      注:此步骤需在未安装LCD旋钮盖的情况下进行。旋钮盖可在显示屏固定至外壳后安装在预装旋钮上。
    2. 使用四颗螺丝(M2x6)将外壳盖板固定。
    3. 将SD卡插入左侧插槽。
    4. 将线缆穿过结构顶部的孔洞。使用两颗螺丝(M3x8)将已组装部件固定在生物打印机顶部。
      注:所有线缆(电机、限位开关和显示屏)将沿壁面布线,并从左下角孔洞引出。使用线缆夹固定,以避免与机械部件发生干涉。
  7. 电子元件组装(图5B
    1. 使用两颗螺丝(M3x10)将插座固定在电子外壳外侧。
    2. 使用四颗螺丝(M3x10)将主板固定在电子外壳内侧。
    3. 使用四颗螺丝(M3x8)将电源底部固定在电子外壳内侧。
    4. 将线缆穿过盖板上的圆形孔洞,并连接至主板。使用四颗螺丝(M3x10)将电子外壳盖板固定。
      注:可将电子外壳连接至生物打印机结构,或在工作空间较小时将其放置于桌面上。
      图6展示了所有电子线缆连接方式。具体连接可能因所使用的3D打印机主板型号而略有不同。

2. 软件设置与 G代码生成过程

  1. 切片软件设置的准备
    1. 打开切片软件。
      注意:具体操作步骤可能因所使用的软件或版本不同而有所差异。
    2. 登录平台。
    3. 前往 设置 选项。选择打印机,然后添加非网络打印机。选择自定义FFF打印机,并在框中 打印机名称,输入打印机的名称。单击 添加.
      注意:如果这是首次安装软件, 添加打印机面板 登录后将自动打开。
    4. 机器设置 窗口,更改默认设置 x, y, z176, 120, 45 mm.
    5. 取消选择 加热板 如果尚未取消选择,请取消选择该选项。
    6. 插入到 起始 G 代码 结束G代码 面板中报告了名为“JoVE_Starting_G-code.txt”和“JoVE_Ending_G-code.txt”的文件中的文本行 补充文件 2.
      1. 根据要应用的流速,修改起始 g-code 文件中“M92 E150”这一行的数值 150。使用以下公式估算合适的数值:
        用于能量分析的能值计算公式,E_value = 1.4Q + 40
        其中 Q 为期望的流速 [µL/min].
        注意:该公式是通过所述系统实验获得的,在机械或电气组件发生变化时可能会有所不同。另一种可行的方法是根据所用系统固定该值,并编写自定义的 MATLAB 代码以生成所需的 gcode 文件。
    7. 改变 兼容材料直径 值在 挤出机 1 面板至 1,75 然后, 关闭.
    8. 前往 市场平台,选择 Z轴偏移设置 插件并安装它。流程结束后,重启软件以完成操作。重新打开后,选择 设置 | 打印机 | 管理打印机 工具栏上。在 偏好 窗口,单击 设置 并选择激活所有选项 检查全部 选项并关闭它。
    9. 通过点击来配置设置 打印设置 (第三个按钮)在 阶段 菜单,其中包含 构型 面板。在当前打印配置文件中输入填充百分比 构型 面板。选择 自定义 按钮,用于修改当前打印设置和配置文件 精细 在下拉菜单中。设置 打印速度 10 mm/s.
  2. gcode 准备
    1. 下载名为 'JoVE_Square' 的 *.STL 设计文件,从 补充文件 2 本文。
    2. 将.STL文件导入切片软件。
    3. 将部件放置在平面上并移动至指定坐标 65, 42.5, 0 (X, Y, Z) 毫米. 通过在对象列表中单击 .STL 文件名并选择复制,创建两个副本 多重选择 选项。将它们移动到以下坐标: 16, 42.5, 0 毫米和-33, 42.5, 0 毫米(X, Y, Z).
      注意:除非直接在最终的 gcode 文件中手动修改,否则无法自动定义打印顺序。坐标是为 6 孔板定义的。
    4. 前往 打印设置阶段 菜单。在 墙壁 切片,放入 0 作为 壁线计数。放入 0 作为 顶部/底部厚度 值在 上/下 部分。在 填充 面板,插入以下数值: 填充模式:网格,填充线间距:5 mm,填充线方向:[0].
      注意:可以减少 行进速度 打印速度 通过优化X轴校准来提高X轴精度。
    5. 禁用 撤稿 旅行 部分与打印冷却 冷却 部分
    6. 培养板粘附性 切片,选择 作为 构建板附着类型,而在此过程中 特殊模式 切片,选择 一次一个 选项作为 打印序列.
    7. 点击 切片 单击按钮以生成 G 代码。
    8. 使用记事本应用程序打开 g-code 文件,并删除短语“;使用 Cura_SteamEngine 4.9.0 生成”后的第 12 行中的“M104 S200”、“M105”和“M109 S200”行。
    9. 在以下行“;MESH: JoVE_Square_rev.STL(6)”前添加“G1 Z25”,并将下一行拆分为两行:(1) G0 F3600 X142.46 Y7.499 和 (2) G1 Z0.3
      注意:X 和 Y 坐标仅为示例。
    10. 修改 Z值 Z25 在每行“;TIME_ELAPSED”注释之后,呈现每个部件的每层最后一条指令。
      注意:如果仅打印单个部件,则无需执行步骤 2.3.10。

3. 肿胀/降解测试

  1. 准备步骤
    1. 取一支无菌的 1 mL 玻璃注射器(TLL 终端)和一个无菌的 25 G 锥形喷嘴。将它们组装好后放入冰箱中。
    2. 在实验前一天晚上,将移液器吸头和 SBMe 基质小瓶放入冰箱中过夜。
    3. 打印三个 PLA 网格(Φ = 20 mm),孔径为 1 mm × 1 mm,并带有用于抓握的侧向垂直柱。
  2. 打印结构
    1. 从冰箱中取出已组装的注射器和 SBMe 基质小瓶。吸取 500 µL SBMe 基质,放入培养箱中 15 分钟,使其发生凝胶化。
    2. 从培养箱中取出注射器,将其安装到生物打印机的打印头中。确保注射器活塞与推块正确接触。
    3. 使用注射器活塞固定夹固定注射器活塞和注射器筒体法兰,并用注射器夹具固定注射器筒体。
    4. 在生物打印机菜单中使用自动回零设置校准系统,以自动检测坐标轴原点。
    5. 使用移动轴命令移动挤出机,直到针尖接触 PLA 网格,手动定义 Z0。
    6. 在生物打印机菜单中选择要打印的 g-code 文件,开始打印。
    7. 将多孔板放入培养箱中 2 分钟,使 SBMe 在挤出后沉降。
    8. 取出多孔板,在含有生物打印网格的三个孔中各加入 2 mL 细胞培养基。将多孔板放回培养箱中。
    9. 在每个时间点(t0、1 h、2 h、3 h、4 h、1 天、3 天、7 天、10 天和 14 天),从板中取出每个网格,用干净的纸巾吸干以去除多余的培养基,并在天平上称重。将网格放回板中,再放入培养箱继续实验。使用以下公式估算溶胀比和降解率:
      溶胀比方程,\( W_t - W_{t0} / W_{t0} \),用于聚合物吸水性分析的公式。
      其中 Wt 为各时间点结构的重量,Wt0 为干燥结构的重量。
      降解率方程,用于计算材料降解百分比的公式,数学概念。
      其中 Wi 为溶胀测试结束时的重量。

4. SBMe 结构的生物打印

  1. 准备步骤
    1. 取一支无菌的1 mL玻璃注射器(TLL终端)和一个无菌的25 G锥形喷嘴,在生物安全柜内将其组装好,并放入冰箱中的无菌盒内。
    2. 在实验前一天将移液器吸头和SBMe基质小瓶放入冰箱过夜(4 °C冰上)。
    3. 向一个1.5 mL离心管中加入20 µL台盼蓝。
    4. 将离心机设置为345 × g、4 °C,并预冷约3–4小时。
    5. 取5 mL水加入15 mL离心管中,作为离心机的平衡配平管。
    6. 将磷酸盐缓冲液(PBS)和培养基置于水浴中预热。
      注:细胞培养基由添加了10%胎牛血清(FBS)、青霉素-链霉素和L-谷氨酰胺的完全杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM)组成。
    7. 将生物打印机置于生物安全柜内,用紫外灯灭菌20分钟。
      注:为确保生物打印机正常运行,请执行“自动归零”(Auto-home)功能,并检查各轴运动是否正常以及限位开关是否工作正常。
  2. 生物墨水制备
    1. 从培养箱中取出含有商用小鼠前列腺癌细胞的培养瓶,置于生物安全柜内。
    2. 移除培养瓶中的细胞培养基。
      注:本方案中提及的体积适用于T25细胞培养瓶。
    3. 用2 mL PBS清洗细胞一次,然后吸除PBS。
    4. 加入500 µL胰蛋白酶,将培养瓶放入培养箱中孵育5分钟,使细胞从培养皿表面脱落。
    5. 观察细胞消化情况,必要时轻轻敲击培养瓶底部。
    6. 向培养瓶中加入4.5 mL培养基,轻柔地冲洗培养皿表面,确保所有脱落的细胞均悬浮于培养基中。
    7. 吸出培养基并转移至一个15 mL离心管中。
    8. 取20 µL细胞悬液与台盼蓝混合液混合,然后取10 µL该混合液加入细胞计数板中,使用以下公式计算活细胞数量:
      总细胞数计算公式,方程,细胞计数,显微镜,生物学数据分析。
      其中 f 为台盼蓝稀释倍数(1:1比例);V 为细胞悬液体积 [mL]。
    9. 将剩余的细胞悬液在345 × g、4 °C条件下离心5分钟。
    10. 弃去上清液,将细胞沉淀重悬于预冷的SBMe基质中,调整至所需细胞密度(106 个细胞/mL)。
    11. 用预冷的注射器吸取800 µL含细胞的基质悬液。
    12. 去除注射器中可能存在的气泡,将注射器放入无菌盒中,随后置于培养箱中孵育15分钟,以促进凝胶化。
  3. 生物打印过程
    1. 从培养箱中取出注射器,装入生物打印机的打印头中,确保注射器活塞与推块接触良好。
      注:所用注射器的型号和体积必须与实验所用注射器一致。
    2. 使用注射器活塞固定夹固定注射器活塞,用注射器筒夹固定注射器筒体法兰。
    3. 利用挤出机底部的M4螺母调节弹簧压力,并将注射器锁紧固定。
      注:步骤4.3.1至4.3.4见图7
    4. 在生物打印机菜单中使用自动归零(Auto-home)功能校准系统,以自动检测各轴的原点位置。
      注:无论使用何种打印支撑材料,此步骤均可确保正确的初始设置。
    5. 将6孔板放置于打印平台。
    6. 使用移动轴(Move Axes)命令移动挤出机,直至针尖轻触孔底,手动定义Z0位置。
    7. 在生物打印机菜单中选择gcode文件并开始打印。每个孔内将打印一个六层正方形网格(边长2.6 cm)。
    8. 生物打印完成后,使用倒置显微镜检查打印结果是否成功,并将多孔板放入培养箱中孵育2分钟,使SBMe在挤出后充分沉降。
    9. 向每个孔中加入2 mL细胞培养基。
      注:加入的体积必须完全覆盖所构建的结构。

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结果

本文介绍了一种使用低成本、自制容积式生物打印机,以SBMe材料进行生物打印构建物的实验方案。我们提供了该系统的详细描述及用于构建系统的3D打印*.STL文件,并通过打印单层和多层结构,展示了其在癌症研究中的潜在应用价值。每个3D打印部件在组装前均已彻底清除支撑结构或不必要的打印残留物。图8展示了整体组装结构的不同视角,提供两种不同选择:(A) 采用分体式设计,以便于在生物安全柜内减小占用空间;或(B)将电子控制模块直接连接至结构上,以获得更紧凑的系统设计。

本体积生物打印系统及所展示方案的目的是提供一种使用纯SBMe16进行生物打印构建的替代策略。得益于该方法,我们能够获得具有良好形状保真度的自支撑结构。图9图10展示了使用所述系统优化打印过程的示例。如图所示,必须始终评估打印精度,以确定...

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讨论

在转化医学研究中,SBMes 在从组织工程到药物测试的多种研究领域中具有重要价值2,3特别是在癌症研究中,它们已成为基础性工具,因其可模拟肿瘤微环境的力学和生化特性,从而能够构建更真实反映肿瘤生长、转移及治疗反应的模型。SBMe 是应用最广泛的生物基质,尤其适用于三维类器官培养。13,14来源于Engelbreth-Holm Swarm小鼠肉瘤的天然细胞外基质,其具有独特的成分组成,包括IV型胶原、层粘连蛋白、巢蛋白和小带蛋白。这些成分存在于多种正常组织中,从而使SBMe能够更真实地模拟复杂的基底膜结构。SBMe可促进细胞自我组装成高度模拟天然组织特征的三维结构。 在体内 组织14然而,它具有复杂的流变行为和较低的力学性能,无法使用标准的气动驱动分配系统进行打印,否则会以不可控的方式从 cartridge 中喷出

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披露

作者声明无任何利益冲突。

致谢

本工作部分由加速奖(Accelerator Award)项目编号 n° A26815,题为: "单细胞癌症演化在临床中的研究" 由英国癌症研究会与AIRC基金会合作资助(编号° 22790)以及欧盟—下一代欧盟,任务4,组成部分1,CUP D53D23003310006。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
12孔板Sigma-AldrichCLS351143
3D FDM 打印机FlashforgeAdventurer 5M Pro
3D打印机主板GEETECHGT2560 REV A+
6孔板Sigma-AldrichM8687
交流电源插座HiLetgohttps://www.amazon.it/HiLetgo-Terminal-Socket
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ÅMŽÃ
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15 A 250 V
可调式支脚EXIN DEHCENhttps://www.amazon.it/gp/product/
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高度 27–40 mm
4 mm 钢珠轴承QUARKZMAN684ZZ尺寸 4 x 9 x 4 mm
5 mm 钢珠轴承XiKe625-2RS尺寸 5 x 16 x 5 mm
皮带闭合Turmberg3Dhttps://www.amazon.it/gp/product/
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宽度 6 mm
皮带开启Fajoedahttps://www.amazon.it/gp/product/
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宽度 6 mm
生物打印喷嘴Fisher Scientific17780789康宁 标准锥形生物打印喷嘴
Bürker 细胞计数板GLASWARENFABRIK KARL HECHT40443001
离心Eppendorf5702 R
离心管Sigma-AldrichCLS43147015 mL
离心管Sigma-AldrichEP00301200861.5 mL
展示Sigma-AldrichBR718905
DMEM Gibco Thermofisher11965092
FBSSigma-AldrichF7524
带法兰线性球轴承采购地图https://www.amazon.it/gp/product/
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LMF8UU
玻璃注射器Fisher Scientific11520062Hamilton GasTight 1 mL(TLL 终端)
铰链YASQZhttps://www.amazon.it/gp/product/
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培养箱Fisher Scientific15481374Eppendorf Galaxy 48 R CO2 培养箱,48 L,不锈钢
倒置显微镜尼康Eclipse Ti2-U
跳线Iverntechhttps://www.amazon.it/Iverntech-XH2
-54-终端-步进打印机/dp/
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LCD 单元Paradisetronic.comhttps://www.amazon.it/Display-controller
-导体-适配器-打印机/dp/B01
DUR4064/ref=sr_1_9?__mk_it_IT=%C3
请提供需要翻译的源文本内容。当前提供的源文本为编码错误或乱码,无法进行准确翻译。确认并修正源文本后,我将为您完成专业翻译。
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工业&显示 3D
Prusa i3 打印机,工业级
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旧款 Prusa i3 LCD 单元。链接至市售替代产品
M8 丝杠RS PRO280-408
M8丝杠螺母Comiokehttps://www.amazon.it/dp/B0C7QB13C4?
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M8螺丝用螺母
T8 丝杆螺母Aipaidehttps://www.amazon.it/gp/product/B086QJCX1M/ref
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T8 螺丝螺母
丝杠 T8VBESTLIFEhttps://www.amazon.it/gp/product/B07CXRB52Y/ref
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长度 15 mm
L-谷氨酰胺Sigma-AldrichG7513
限位开关CESFONJERhttps://www.amazon.it/gp/product/B07SPX492J/ref
=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1
直线球轴承(LM4UU)A ABSOPROhttps://www.amazon.it/gp/product/B0CB3M5GHJ/ref
=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&psc=1
尺寸 4 x 8 x 12 mm
线性球轴承(LM8LUU)Fdithttps://www.amazon.it/LM8LUU-Linear
-运动-衬垫-打印机/dp/B07N
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ÅŽÅ
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工业,136&sr=1-1-spons&sp
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尺寸 8 x 15 x 45 mm
线性球轴承(LM8UU)ARCELIhttps://www.amazon.it/gp/product/
B07BV3YBP2/ref=ppx_yo_dt_b_
search_asin_title?ie=UTF8&psc=1
尺寸 8 x 15 x 24 mm
磁铁OCEUMAOAhttps://www.amazon.it/gp/product/
B0CB6C2RF4/ref=ppx_yo_dt_b_
search_asin_title?ie=UTF8&th=1
8 × 3 毫米
基质胶Gibco ThermofisherLOT 0202003SBMe
电机驱动器 Longrunerhttps://www.amazon.it/gp/product/
B071P41ZBW/参考=ppx_yo_dt_b_搜索
_asin_title?ie=UTF8&psc=1
驱动器 A4988
PBSMicroGem, VWRTL1006-500ML
青霉素-链霉素Gibco Thermofisher15070063
移液器吸头Sigma-AldrichZ740058品牌 滤芯吸头,已装架,TipBox(体积 50-1000 μL)
有机玻璃板MVQPERhttps://www.amazon.it/MVQPER-trasparenti-
plexiglass-透明装饰/dp/B0CF
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2 mm 厚度,透明片材,21 x 32.5 cm
有机玻璃板MVQPERhttps://www.amazon.it/MVQPER-trasparenti
-亚克力-透明-装饰/dp/B0C
FQ4BHQZ/ref=sr_1_14?dib=eyJ2IjoiMSJ9.b
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2 张透明板材,2 mm 厚度,20 x 20 cm
有机玻璃板MVQPERhttps://www.amazon.it/MVQPER-trasparenti
-亚克力-透明-装饰/dp/B0C
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2 张透明片,2 mm 厚,20 x 30 cm
聚乳酸(PLA)丝材FlashforgeBlack 100102
电源SQUADOhttps://www.amazon.it/SQUADO-Alimentatore
-稳定化-散热器-效率
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C+DC+输出:12V 15A&n
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旧款 Prusa i3 电源(交流输入:110-220 V,直流输出:12 V 15 A)。商用替代品链接
滑轮 5 mmVooGenzekhttps://www.amazon.it/gp/product/
B0B8H16KWX/ref=ppx_yo_dt_b_
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内径 5 mm,皮带宽度间距 6 mm
滑轮 8 mmYxtaiihttps://www.amazon.it/gp/product/
B07X852RFN/ref=ppx_yo_dt_b_
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内径 8 mm,皮带宽度空间 6 mm
带状电缆QUARKZMANhttps://www.amazon.it/sspa/click?ie
=UTF8&spc=MTo0NDgyNTkwNzU
wNjM5NzM5OjE3MzQ3MTQ1OTE6
c3BfbXRmOjMwMDEyMjk4NTMzN
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AN-连接器-长度-计算机
er-confezione%2Fdp%2FB0CQRM
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在转化研究中,三维体外模型对于推动科学认知和治疗手段的开发至关重要。为此,源自小鼠肉瘤细胞的可溶性基底膜提取物(SBMes)在模拟体内微环境的力学和生化特性方面发挥着关键作用。它们在从组织工程到药物测试等多种研究领域中具有重要价值。特别是在癌症研究中,传统的二维细胞培养虽被广泛使用,但由于无法再现三维(3D)结构和肿瘤微环境,可能提供误导性信息,因此SBMes的应用变得尤为基础。在癌症研究中,有效的三维体外模型对于深入理解肿瘤演化过程以及预测诸如耐药机制等挑战至关重要。类器官作为一种有前景的三维体外模型应运而生,能够更准确地反映肿瘤生物学特征。它们在SBMes中生长,因为后者为细胞增殖并自组织形成三维结构提供了适宜环境。然而,SBMe存在显著局限性,包括力学性能较低和复杂的流变行为,使其难以用于现有的商用气动挤出式生物打印系统。为克服这些限制,我们开发了一种低成本、体积可控的生物打印系统及专门用于SBMe打印的实验方案。该系统基于体积式挤出装置,克服了传统气动驱动方法的局限性。系统在组装完成后,通过输入特定的g代码即可实现纯态或稀释态SBMe的生物打印,从而获得单层或多层结构。该方法为构建三维细胞培养模型提供了更可靠且可扩展的技术路径,有助于推动新型治疗方法和药物测试的高效研究。
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平带传动
3D生物打印技术
+pin,工业,170
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带状电缆 2651 28AWG 10针
刚性轴联轴器Gwolfhttps://www.amazon.it/gp/product/
B088R8CW5Z/ref=ppx_yo_dt_b_
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5至8毫米的耦合 
4 mm 长杆RS-components682-810直径 4 mm
5 mm 长的棒状结构Sourcingmapa14010200ux0214直径 5 mm
8 mm 长杆RS-components682-078直径 8 mm
螺丝Bnnrjia281-984M2x6 - 平头
螺丝INCREWAYhttps://www.amazon.it/INCREWAY-
便携式配件套装
维修/dp/B07KN37M5J/
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M2x8 - 平头
螺丝INCREWAYhttps://www.amazon.it/INCREWAY
-便携式配件维修
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请提供需要翻译的源文本内容。&crid=
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在转化医学研究中,三维体外模型对于推动科学认知和治疗手段的开发至关重要。为此,源自小鼠肉瘤细胞的可溶性基底膜提取物(SBMes)在模拟体内微环境的力学与生化特性方面发挥着关键作用。SBMes在从组织工程到药物测试等多个研究领域均具有重要价值。尤其在癌症研究中,由于传统二维细胞培养无法反映肿瘤的三维结构及其微环境,可能产生误导性结果,因此SBMes已成为不可或缺的工具。有效的三维体外模型对于深入理解癌症演化过程及预测诸如耐药机制等挑战至关重要。类器官作为一种前景广阔的三维体外模型,能够更准确地再现肿瘤生物学特征。它们在SBMes中生长,因为SBMes可提供使细胞生长并自组织形成三维结构的环境。然而,SBMes存在机械性能差和流变行为复杂等显著缺陷,限制了其在商用气动挤出式生物打印系统中的应用。为克服这些局限,我们开发了一种低成本、体积可控的生物打印系统及配套的SBMes打印专用方案。该系统基于体积式挤出装置,克服了传统气动驱动方法的不足。在完成组装并载入特定g代码程序后,该系统可实现纯态或稀释态SBMes的生物打印,从而制备单层或多层结构。该方法为构建三维细胞培养模型提供了更可靠且可扩展的技术路径,有助于推动新型疗法研发与药物测试的深入开展。
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TRAMP - C1 细胞系ATCCCRL-2730从患有腺癌的成年雄性转基因小鼠前列腺中分离的上皮细胞系
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胰蛋白酶Gibco Thermofisher15400054无菌

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