Name: Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-10T13:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Lernen Sie die Herstellung menschlichen Knorpelgewebes mittels modifizierter 3D-Inkjet-Drucktechnologie mit simultaner UV-Polymerisation. Diese Methode ermöglicht präzise Zellpositionierung und homogene Gewebestrukturen für die regenerative Medizin.

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Die Autoren möchten die Unterstützung von der New York Capital Region Research Alliance Grants anzuerkennen.

1. Bioprinting Platform Gründung Der Drucker Modifikation wurde auf einem HP Deskjet 500 Thermo-Inkjet-Drucker und HP 51626A schwarz Tintenpatrone basiert. <ol><li> Entfernen Sie die obere Plastikabdeckung des Druckers und vorsichtig lösen das Bedienfeld aus dem Cover. </li><li> Lösen Sie die drei Kabelverbindungen zwischen Drucker oberen Teil und Basis. Entfernen Sie die Drucker oberen Teil von der Basis. </li><li> Auf dem oberen Teil Drucker, entfernen Sie den kleinen Kunststoff-und Gummi Zubehör (Druckkopfreinigung) auf der rechten Seite unter der Tintenpatrone. </li><li> Entfernen Sie die Basis des Papierkassette mit Federn. </li><li> Entfernen Sie die Metallplatte, die die Kunststoffpapierzufuhr-Bar. </li><li> Schneiden Sie den Kunststoff-Papierzufuhr-Bar in der Mitte Zuführungsrad Position mit einer Handsäge oder andere Schneidwerkzeug. </li><li> Entfernen Sie die 2 Papiereinzugsräder nach dem vorherigen Schritt ausgesetzt. Die Kunststoffscheibe ist sehr hart und eine elektronischeSäge wird hilfreich sein. </li><li> Reinigen Sie den Staub und Schmutz mit Pressluft und Ethanol Tücher. </li><li> Bringen Sie den Drucker oberen Teil an der Basis. </li><li> UV die modifizierte Drucker für mindestens 2 Stunden in einer Steril vor der Verwendung zu sterilisieren. </li><li> Schneiden Sie die Kappe eines HP 51626A Tintenpatrone mit einer Handsäge oder andere Schneidwerkzeug. </li><li> Leeren Sie die Tinte und die Filter, die den Boden gut Reservoir der Knorpel bedeckt entfernen. </li><li> Spülen Sie die Patrone gründlich mit fließendem Leitungswasser. </li><li> Ultrasonicate die Kassette in deionisiertem (DI) Wasser für 10 min, um die restliche Tinte zu entfernen. </li><li> Untersuchen Sie die Patrone, um sicherzustellen, dass alle die Tinte entfernt wurde. Spülen oder Spray die Patrone gründlich mit 70% Ethanol für die Sterilisation, gefolgt von DI-Wasser sterilisiert. </li><li> Richten Sie eine langwelligen UV-Lampe über die Druckplattform, um die gleichzeitige Photopolymerisation Kapazität bereitzustellen. </li><li> Messen UV-Intensität an der Druckplattform unter Verwendung eines UV-LichtMeter. Den Abstand zwischen der UV-Lampe und der Druckerplattform, so dass die Intensität an dem Druckgegenstand zwischen 4-8 mW / cm 2 (etwa 25 cm von der Lampe zu der Druckerplattform). </li></ol> 2. Bioink Vorbereitung <ol><li> Monolayer Chondrozyten-Erweiterung <ol><li> Platte 5 Millionen humanen Chondrozyten in jeder T175 Gewebekulturflasche für Zellexpansion in Dulbeccos Modified Eagles Medium (DMEM) mit 10% Kälberserum und 1x Penicillin-Streptomycin-Glutamin (PSG) ergänzt. Kulturzellen bei 37 ° C mit befeuchteter Luft mit 5% CO 2. Ändern Sie das Kulturmedium alle 3 Tage, bis der Kolben beträgt 85% Zusammenfluss. Verwenden Sie Zellen aus der gleichen Passage. </li></ol></li><li> Auflösen PEGDA in PBS auf eine Endkonzentration von 10% w / v. Hinzufügen Photoinitiator I-2959 in einer Endkonzentration von 0,05% w / v. Filter sterilisieren die Lösung. </li><li> Aussetzen kultivierten menschlichen Chondrozyten in dem hergestellten PEGDA Lösung bei 5 x 10 6 Zellen /ml. </li></ol> 3. Knorpelgewebe Printing <ol><li> Schalten Sie den Drucker und Laptop. </li><li> Erstellen Sie ein Druckmuster aus einem festen Kreis mit 4 mm Durchmesser unter Verwendung von Microsoft Word oder Adobe Photoshop. <ol><li> Stellen Sie die Position des Musters und sicherzustellen, dass es genau in die Kunststoffform drucken. </li><li> Berechnen der Anzahl der Drucke, um die gewünschte Dicke der Gerüst erreichen. Für 4 mm in der Höhe, 220 Drucke sind erforderlich, um die gewünschte Gerüst erstellen. </li></ol></li><li> Laden Sie die bioink in die Tintenpatrone. Decken Sie die Patrone mit Aluminiumfolie aus der direkten UV-Exposition während des Druckvorgangs zu schützen. </li><li> Druckbefehl an den Drucker senden. Ziehen Sie den Papiersensor, wenn der Drucker zu drucken beginnt. Der gesamte Druckprozess weniger als 4 min für ein Gerüst mit 4 mm Durchmesser und 4 mm in der Höhe zu nehmen. </li><li> Über gedruckt neocartilage zu einem 24-Well-Platte und fügen 1,5 ml Kulturmedium in jede Vertiefung. </li></ol><ol><li> Inkubieren Sie die gedruckte neocartilage in LIVE / DEAD Lebensfähigkeit / Zytotoxizität Arbeitslösung bei Raumtemperatur für 15 min im Dunkeln. </li><li> Schneiden Sie die Zelle beladene Hydrogel in der Mitte und nehmen Fluoreszenzbilder von den Schneidbereich. </li><li> Graf Live-(grün) und toten (rot) Zellen durch einen verblindeten Beobachter bei fünf zufällig aufgenommenen Bilder. Lebensfähigkeit der Zellen zu berechnen, indem die Anzahl von lebenden Zellen durch die Gesamtzahl an lebenden und toten Zellen. </li></ol>

<ol><li>Cui, X., Boland, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+microvasculature+fabrication+using+thermal+inkjet+printing+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology.</a> Biomaterials. 30, 6221-6227 (2009).</li>
<li>Cui, X., Breitenkamp, K., Finn, M. G., Lotz, M., D'Lima, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+human+cartilage+repair+using+three-dimensional+bioprinting+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng+Part+A%22%5BJournal%5D)">Direct human cartilage repair using three-dimensional bioprinting technology.</a> Tissue Eng Part A. 18, 1304-1312 (2012).</li>
<li>Cui, X., Breitenkamp, K., Lotz, M., D'Lima, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synergistic+action+of+fibroblast+growth+factor-2+and+transforming+growth+factor-beta1+enhances+bioprinted+human+neocartilage+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Synergistic action of fibroblast growth factor-2 and transforming growth factor-beta1 enhances bioprinted human neocartilage formation.</a> Biotechnol. Bioeng. 109, 2357-2368 (2012).</li>
<li>Cui, X., Breitenkamp, K., Finn, M. G., Lotz, M., Colwell, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+human+cartilage+repair+using+thermal+inkjet+printing+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Direct human cartilage repair using thermal inkjet printing technology.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 19, (2011).</li>
<li>Cui, X., Boland, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+deposition+of+human+microvascular+endothelial+cells+and+biomaterials+for+human+microvasculature+fabrication+using+inkjet+printing%5BTitle%5D)+AND+%22NIP24%2Fdigital+Fabrication+2008%3A+24th+International+Conference+on+Digital+Printing+Technologies%2C+Technical+Program+and+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Simultaneous deposition of human microvascular endothelial cells and biomaterials for human microvasculature fabrication using inkjet printing.</a> NIP24/digital Fabrication 2008: 24th International Conference on Digital Printing Technologies, Technical Program and Proceedings. 24, 480-483 (2008).</li>
<li>Cui, X., Dean, D., Ruggeri, Z. M., Boland, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cell+damage+evaluation+of+thermal+inkjet+printed+Chinese+hamster+ovary+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Cell damage evaluation of thermal inkjet printed Chinese hamster ovary cells.</a> Biotechnol. Bioeng. 106, 963-969 (2010).</li>
<li>Cui, X., Hasegawa, A., Lotz, M., D'Lima, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structured+three-dimensional+co-culture+of+mesenchymal+stem+cells+with+meniscus+cells+promotes+meniscal+phenotype+without+hypertrophy%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Structured three-dimensional co-culture of mesenchymal stem cells with meniscus cells promotes meniscal phenotype without hypertrophy.</a> Biotechnol. Bioeng. 109, 2369-2380 (2012).</li>
<li>Cui, X., Gao, G., Qiu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+myotube+formation+using+bioprinting+technology+for+biosensor+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Accelerated myotube formation using bioprinting technology for biosensor applications.</a> Biotechnol. Lett. 35, 315-321 (2013).</li>
<li>Cui, X., Boland, T., D'Lima, D. D., Lotz, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+inkjet+printing+in+tissue+engineering+and+regenerative+medicine%5BTitle%5D)+AND+%22Recent+Pat+Drug+Deliv+Formul%22%5BJournal%5D)">Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine.</a> Recent Pat Drug Deliv Formul. 6, 149-155 (2012).</li>
<li>Bryant, S. J., Anseth, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogel+properties+influence+ECM+production+by+chondrocytes+photoencapsulated+in+poly%28ethylene+glycol%29+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Materials+Research%22%5BJournal%5D)">Hydrogel properties influence ECM production by chondrocytes photoencapsulated in poly(ethylene glycol) hydrogels.</a> Journal of Biomedical Materials Research. 59, 63-72 (2002).</li>
<li>Elisseeff, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoencapsulation+of+chondrocytes+in+poly%28ethylene+oxide%29-based+semi-interpenetrating+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Materials+Research%22%5BJournal%5D)">Photoencapsulation of chondrocytes in poly(ethylene oxide)-based semi-interpenetrating networks.</a> Journal of Biomedical Materials Research. 51, 164-171 (2000).</li>
<li>Buskirk, W. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+A+High-Resolution+Thermal+Inkjet+Printhead%5BTitle%5D)+AND+%22Hewlett-Packard+Journal%22%5BJournal%5D)">Development of A High-Resolution Thermal Inkjet Printhead.</a> Hewlett-Packard Journal. 39, 55-61 (1988).</li>
<li>Harmon, J. P., Widder, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integrating+the+Printhead+Into+the+HP+Deskjet+Printer%5BTitle%5D)+AND+%22Hewlett-Packard+Journal%22%5BJournal%5D)">Integrating the Printhead Into the HP Deskjet Printer.</a> Hewlett-Packard Journal. 39, 62-66 (1988).</li>
<li>Kim, T. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+model+for+cartilage+tissue+engineering+to+regenerate+the+zonal+organization+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Experimental model for cartilage tissue engineering to regenerate the zonal organization of articular cartilage.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 11, 653-664 (2003).</li>
<li>Sharma, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Designing+zonal+organization+into+tissue-engineered+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Engineering%22%5BJournal%5D)">Designing zonal organization into tissue-engineered cartilage.</a> Tissue Engineering. 13, 405-414 (2007).</li>
<li>Cohen, D. L., Lipton, J. I., Bonassar, L. J., Lipson, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Additive+manufacturing+for+in+situ+repair+of+osteochondral+defects%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Additive manufacturing for in situ repair of osteochondral defects.</a> Biofabrication. 2, (2010).</li>
</ol>

Die Autoren haben kein finanzielles Interesse an dieser Studie.

Diese 3D-Bioprinting System mit gleichzeitiger Photopolymerisation Kapazität bietet eine deutlich größere Druckauflösung als die besten zuvor berichtet Verfahren der In-situ Druck von osteochondralen Defekten mit Spritze extrudiert eine zelluläre Alginat-Hydrogel-16. Höhere Druckauflösung ist für die Knorpelgewebetechnik besonders wichtig, um die anatomischen Knorpel zonale Organisation wiederherzustellen. Gleichzeitige Photopolymerisation in Schicht-für-Schicht-Anordnung ist entscheidend, um genaue ...

Basierend auf Thermo-Inkjet-Druck Bioprinting ist eine der aussichtsreichsten Schlüsseltechnologien auf dem Gebiet des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin. Mit Digitalsteuerung und einen hohen Durchsatz Druckköpfe Zellen, Gerüste und Wachstumsfaktoren kann präzise auf die gewünschte zweidimensionale (2D) aufgebracht werden und dreidimensionale (3D-) Positionen schnell. Viele erfolgreiche Anwendungen wurden mit dieser Technologie in Tissue Engineering und der regenerativen Medizin 9.1 erreicht. In dieser Arbeit wurde ein Bioprinting Plattform mit einer modifizierten Hewlett-Packard (HP) Deskjet 500 thermische Tintenstrahldrucker und einer gleichzeitigen Photopolymerisation System. Synthetische Hydrogele aus Poly (Ethylenglycol) (PEG) formuliert haben, die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung und Förderung der Lebensfähigkeit von Chondrozyten chondrogene ECM Produktion 10,11 gezeigt. Darüber hinaus ist photovernetzbares PEG in Wasser mit niedriger Viskosität, die es ideal für die gleichzeitige Polyme macht sehr gut löslichrization während der 3D-Bioprinting. In diesem Papier, humanen Chondrozyten in Poly (Ethylen) Glykoldiacrylat (PEGDA; 3.400 MW) suspendiert wurden gedruckt, um genau neocartilage Schicht-für-Schicht mit 1.400 dpi Auflösung in 3D zu konstruieren. Homogene Verteilung der abgeschiedenen Zellen in einem 3D-Gerüst beobachtet, die Knorpelgewebe mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und verbesserter ECM Produktion erzeugt. Hingegen in der manuellen Fertigung der Zellen am Boden des Gels statt ihrer anfänglich abgeschiedenen Positionen aufgrund langsamer Gerüst Polymerisation, die zu inhomogenen Knorpelbildung nach der Kultur akkumuliert 2,3 führte.

<table><tbody><tr><td>HP Deskjet 500 Thermo-Tintenstrahldrucker</td><td>Hewlett-Packard</td><td>C2106a</td><td>Eingestellt. Generalüberholt von einem Internetanbieter gekauft.</td></tr><tr><td>HP schwarze Tintenpatrone</td><td>Hewlett-Packard</td><td>51626a</td><td></td></tr><tr><td>UV-Lampe</td><td>UVP</td><td>B-100AP</td><td></td></tr><tr><td>UV-Lichtmessgerät</td><td>Allgemeine Werkzeuge</td><td>UV513AB</td><td></td></tr><tr><td>Zeiss LSM 510 Laser-Scanning-Mikroskop</td><td>Carl Zeiss</td><td>LSM 510</td><td></td></tr><tr><td>Dulbeccos Modified Eagles Medium (DMEM)</td><td>Mediatech</td><td>10-013</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin-Streptomycin-Glutamin (PSG)</td><td>Invitrogen</td><td>10378-016</td><td></td></tr><tr><td>Reagenz zur Dissoziation von Accutase-Zellen</td><td>Invitrogen</td><td>A11105-01</td><td></td></tr><tr><td>Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS)</td><td>Invitrogen</td><td>10010-023</td><td></td></tr><tr><td>Lebend/Tot Lebensfähigkeit/Zytotoxizität Kit</td><td>Invitrogen</td><td>L-3224</td><td></td></tr><tr><td>Poly(ethylenglykol) diacrylat (PEGDA)</td><td>Glykosan Biosysteme</td><td>GS700</td><td></td></tr><tr><td>Irgacure 2959</td><td>Ciba Spezialchemikalien</td><td>I-2959</td><td></td></tr><tr><td>Menschliche Gelenkchondrozyten</td><td>Lonza</td><td>CC-2550</td><td></td></tr></tbody></table>

menschliches knorpelgewebe herstellung unter verwendung von dreidimensionalen inkjet-drucktechnologie

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, die auf thermische Tintenstrahldruck basiert, ist einer der attraktivsten Technologien auf dem Gebiet des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin. Mit digitalen Kontrollzellen, Gerüste und Wachstumsfaktoren genau auf die gewünschte zweidimensionale (2D) aufgebracht werden und dreidimensionale (3D) Stellen schnell. Daher ist diese Technologie ein idealer Ansatz, um Gewebe imitiert ihre Mutter anatomischen Strukturen herzustellen. Um mit nativen Knorpel zonale Organisation, Zusammensetzung der extrazellulären Matrix (ECM), und die mechanischen Eigenschaften zu konstruieren, entwickelten wir eine Bioprinting Plattform mit einem handelsüblichen Tintenstrahldrucker mit gleichzeitiger Photopolymerisation Lage für 3D-Knorpel Tissue Engineering. Menschlichen Chondrozyten in Poly (ethylenglykol) diacrylat (PEGDA) suspendiert wurden für 3D neocartilage Konstruktion über Schicht-für-Schicht-Anordnung gedruckt. Die gedruckten Zellen wurden bei ihrer ursprünglichen hinterlegt Positionen fixiert, durch die Surro unterstütztunding Gerüst gleichzeitige Photopolymerisation. Die mechanischen Eigenschaften des Gewebes gedruckt waren ähnlich dem nativen Knorpel. Im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsgewebe, die längere UV-Belichtung erfordert, die Lebensfähigkeit der Zellen bei gleichzeitiger gedruckt Photopolymerisation war signifikant höher. Gedruckt neocartilage zeigte eine hervorragende Glykosaminoglykan (GAG) und Kollagen-Typ-II-Produktion, die im Einklang mit Gen-Expression war. Daher ist diese ideale Plattform für die genaue Zellverteilung und Anordnung zur anatomischen Tissue Engineering.

Die modifizierte Thermo-Inkjet-Drucker der Lage war, für Zell-und Gerüst-Abscheidung bei hohem Durchsatz und exzellente Lebensfähigkeit der Zellen. Kombination mit gleichzeitiger Photopolymerisation und empfindlichen Biomaterialien, ist diese Technologie in der Lage, um die Zellen und andere Druck Substanzen zu den anfänglich abgeschiedenen Orten zu fixieren. Gemäß den Eigenschaften des modifizierten thermischer Tintenstrahldrucker der 2D Druckauflösung von 300 dpi mit einer einzigen Tintentropfenvolumen von 130 pl. Es ...

Die in diesem Beitrag beschriebenen Methoden zeigen, wie ein Handels Tintenstrahldrucker in eine Bioprinter mit gleichzeitiger UV-Polymerisation zu konvertieren. Der Drucker ist in der Lage, 3D-Konstruktion von Gewebestruktur mit Zellen und Biomaterialien. Die Studie zeigte hier konstruierte eine 3D neocartilage.

Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein dreidimensionales menschliches Knorpelgewebe herzustellen, um die Durchführbarkeit des 3D-Gewebedrucks mittels eines modifizierten Thermodruckkopf-Druckers mit simultaner Photopolymerisation zu testen. Dies wird zunächst erreicht, indem ein handelsüblicher Thermodruckkopf-Drucker des Modells Hewlett Packard Desk Jet 500 sowie eine einfarbige Tintenpatrone, Modell 5 1 16 2 6, zu einem Bioprinter umgebaut werden. Der zweite Schritt besteht darin, eine einfache 3D-Druckplattform mit einer UV-Lampe langer Wellenlänge zu kombinieren, um während des Herstellungsprozesses eine sofortige Polymerisation der injizierten Bio-Tinte zu ermöglichen.Anschließend wird die Bio-Tinte hergestellt, indem expandierte humane Gelenkchondrozyten in einer 10 %igen Polyethylenglykollösung mit einer Dichte von 5 Millionen Zellen pro Milliliter suspendiert werden. Der letzte Schritt besteht darin, das Knorpelgewebe schichtweise unter gleichzeitiger Photopolymerisation zu drucken. Abschließend erfolgen konfokale Mikroskopie und Histologie.Die Färbung dient dazu, die gleichmäßige Verteilung der gedruckten Chondrozyten in einem 3D-Hydrogel und die hervo

human-cartilage-tissue-fabrication-using-three-dimensional-inkjet

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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Drucken Thermoresponsive Reverse-Formen für die Erstellung von Gemusterte Zweikomponenten-Hydrogele für 3D Zellkultur

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