Keramisches omnidirektionales Bioprinting in zellbeladenen Suspensionen zur Erzeugung von Knochenanaloga

Gagan Jalandhra; Sara Romanazzo; Stephanie Nemec; Iman Roohani; Kristopher A. Kilian

doi:10.3791/63943

Methodenartikel

Keramisches omnidirektionales Bioprinting in zellbeladenen Suspensionen zur Erzeugung von Knochenanaloga

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DOI:

10.3791/63943

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8. August 2022

Gagan Jalandhra¹ , Sara Romanazzo² , Stephanie Nemec¹ , Iman Roohani³ , Kristopher A. Kilian¹^,²

¹School of Materials Science and Engineering, University of New South Wales, ²School of Chemistry, Australian Centre for NanoMedicine, University of New South Wales, ³School of Biomedical Engineering, University of Sydney

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt eine 3D-Drucktechnik zur Herstellung knochenähnlicher Strukturen durch Abscheiden einer Calciumphosphat-Tinte in einem körnigen Träger auf Gelatinebasis. Gedruckte Knochenanaloga werden in Freiform abgeschieden, mit Flexibilität für die direkte Ernte des Drucks oder die Vernetzung innerhalb einer lebenden Zellmatrix für mehrphasige Konstrukte.

Zusammenfassung

Strukturell ist Knochengewebe ein anorganisch-organisches Komposit mit metabolisch aktiven Zellen, die in eine hierarchische, hochmineralisierte Matrix eingebettet sind. Diese Organisation ist aufgrund der heterogenen Umgebung des Knochens schwierig zu replizieren. Ceramic omnidirectional Bioprinting in Cell-Suspensions (COBICS) ist eine Mikrogel-basierte Bioprinting-Technik, die die mineralische und zelluläre Struktur des Knochens auf einzigartige Weise repliziert. COBICS druckt komplexe, biologisch relevante Konstrukte ohne opfernde Trägermaterialien oder harte Nachbearbeitungsschritte (z.B. Bestrahlung und Hochtemperatursintern), die zwei der größten Herausforderungen bei der additiven Fertigung von knochenmimetischen Konstrukten darstellen. Diese Technik wird durch die Freiformextrusion einer neuartigen Tinte auf Calciumphosphatbasis in einer Mikrogelsuspension auf Gelatinebasis ermöglicht. Die Fließspannungseigenschaften der Suspension ermöglichen die Ablagerung und unterstützen die gedruckte Knochenstruktur. UV-Vernetzung und Nanopräzipitation "verriegeln" es dann. Die Fähigkeit, nanostrukturierte knochenmimetische Keramiken in zellbeladenen Biomaterialien zu drucken, bietet eine raumzeitliche Kontrolle über Makro- und Mikroarchitektur und erleichtert die Echtzeitherstellung komplexer Knochenkonstrukte in klinischen Umgebungen.

Einleitung

Knochen hat bemerkenswerte Regenerationsfähigkeiten als eine der wenigen Strukturen im Körper, die heilen können, indem sie ihre normale zelluläre Zusammensetzung, Orientierung und mechanische Stärke bis zu einer kritischen Defektgröße wiederherstellen, wenn die endogene Heilungskapazität beeinträchtigt ist¹. Knochen unterstützt und erleichtert zusammen mit Knorpel und Band die Bewegung des Körpers, speichert Mineralien und Fette und produziert Blutzellen. Als hartes, dichtes Bindegewebe besteht Knochen hauptsächlich aus einer anorganischen Phase, Wasser und organischem Material, das hauptsächlich aus Kollagenfasern^{besteht 2}