懸濁3Dバイオプリンティングのためのゲル化中のせん断処理によって形成されたアガロース流体ゲル
2023年5月26日
ヒドロゲル形成中のせん断処理は、剪断薄いが剪断力の除去後に急速に再構築するミクロゲル懸濁液の生成をもたらす。このような材料は、バイオプリンティング複合体、細胞を含んだ構造のための支持マトリックスとして使用されてきた。ここでは、支持床および適合バイオインクを製造するために使用される方法が説明される。
異なるバイオインクを使用する能力は、バイオプリント構造の開発を成功させるために最も重要であり、この技術は、従来の印刷技術と一般的に互換性のない材料の使用を容易にする。懸濁媒体は、堆積時に低粘度のバイオインクの崩壊を防ぎ、単一の構築物内に異なるバイオインクを統合して、天然組織により類似した化学的および機械的特性の地域的変動を作り出すことを可能にします。手順を実演するのは、バーミンガム大学の研究員であるトム・ロバートソン博士と、ハダースフィールド大学の研究員であるジェシカ・シニア博士です。
まず、レオメーターをオンにし、40ミリメートルの鋸歯状の形状を挿入して、30分間放置します。ゼロギャップ高さ関数を使用してレオメーターのギャップ高さをゼロにします。底板に約2ミリリットルのサンプルを追加し、上部のジオメトリを下げて1ミリメートルのギャップ高さを作成します。
平らな非研磨性のエッジを使用してプレート間から排出された余分な材料を取り除き、余分な液体をギャップから引き離し、ティッシュペーパーで吸収することにより、サンプルをトリミングします。バイオインクの注入性を判断するには、ユーザーオプションから粘度測定テストを選択して粘度プロファイルを実施します。せん断速度制御ランプテストのパラメータを1分のランプ時間で毎秒0.1〜500で入力します。
新しいサンプルをロードし、再現性を確保するためにプロセスを繰り返します。バイオインクのゲル化特性を決定するために、ユーザーオプションから振動試験を選択して小さな変形試験を実施した。一定のひずみ下での1回の周波数テストにパラメータを入力し、1ヘルツの周波数として、インクがゲル化している間に1時間にわたって0.5%のひずみ。
前に示したステップのせん断速度制御ランプテストから決定された上下の応力を使用して、応力制御下の新しいサンプルに対して粘度測定ランプテストを繰り返します。ゲル化したサンプルのin situ振幅および周波数測定を実行するには、ユーザーオプションから振動試験を選択します。振幅掃引を選択した後、一定の1ヘルツ周波数で0.01〜500%にひずみ制御される振幅掃引試験のパラメータを入力します。
テストが完了したら、スペクトルを分析して線形粘弾性領域を決定します。レオメーターに新しいサンプルをロードし、ゲル化させます。次に、ユーザーオプションから振動テストを選択します。
0.01〜10ヘルツの周波数テストと入力周波数パラメータを選択し、以前に取得した振幅掃引データから決定されたスペクトルの線形粘弾性領域内のひずみを選択します。CADソフトウェアを起動し、CADモデルの生成を開始するには、[ツール]オプションを選択し、CADソフトウェアの[材料]をクリックして、選択したバイオインクの印刷パラメータを定義します。[厚さ]タブに推定フィラメント直径を入力して、各層のz厚さを決定します。
レイヤーごとに構造レイヤーを設計するには、ソフトウェアの[レイヤー]タブを使用し、[グループ]タブを使用してレイヤーをグループ化し、[レベル]タブを使用して各レイヤーをz平面上のレベルに割り当てます。X 軸に沿ってフィラメントを持つ 1 つのレイヤーと Y 軸に沿って 2 番目のレイヤーを作成して格子構造を生成し、両方を別のレベルに割り当てます。[グループ]タブで、構造内の繰り返し単位数を選択して、造形高さを決定します。
次に、[生成]ツールをクリックして、デザインのGコードを作成し、構造の3Dレンダリングを表示します。バイオプリンターで、バイオインクを印刷カートリッジに分注し、マイクロバルブの上のプリントヘッドにねじ込みます。次に、針の長さ測定機能をクリックして、プリントヘッドを調整します。
次に、組み立てたプリントヘッドを空気圧システムに接続し、培養容器をプリントプラットフォームにロードします。適切な圧力を選択したら、前に生成されたGコードを開き、[実行]をクリックして印刷プロセスを開始します。頸動脈の印刷が完了したら、注射器と針を使用して、構築物の周りに2ミリリットルの200ミリモル塩化カルシウム二水和物を注入します。
最低3時間後、コンストラクトの周囲から流体ゲルサポートベッドを取り外し、PBSで静かに洗浄します。次に、スパチュラを使用してサポートバスからコンストラクトを取り外します。アルギン酸塩およびコラーゲン格子の印刷解像度を、30、60、および120キロパスカルの押出成形によるフィラメント直径の関数として調整することが観察され、結果は、解像度が押出圧力の変化に直接調整可能であることを示しました。
皮膚に見られるものと同様の機械的特性の勾配を達成するために、真皮層と皮下層に異なる割合のペクチンとコラーゲンが使用され、層間剥離の兆候のない構造が得られました。材料が硬化した14日間の培養後、構造全体に高レベルの細胞生存率が観察され、材料のリモデリングを示しました。レオロジーでは、再現性のあるデータを確保するためにサンプルが正しくロードされることが重要であり、バイオプリンティングでは、サポートベッドから取り出す前に構造が完全に架橋されていることが重要です。
大規模な組織構築物を長期間培養することで、物理的および化学的刺激に対する埋め込まれた細胞の応答を調べることができます。
概要
この記事では、バイオプリンティングで使用できるマイクロゲル懸濁液を作成するために、ヒドロゲル形成におけるシアー処理の使用について説明しています。サポートベッドとバイオインクの製造方法が詳細に説明され、複雑な細胞含有構造を開発する上での重要性が強調されています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- バイオプリンティング
- ヒドロゲル技術
- 材料科学
背景
- ヒドロゲルは、自然な組織を模倣する構造を作るために不可欠です。
- シアーシンニング材料は、シアー力が除去された後に迅速に再構築できます。
- 異なるバイオインクにより、バイオプリントされた構造物に様々な特性を統合できます。
- 成功するバイオプリンティングには、材料特性と印刷パラメータの慎重な制御が必要です。
研究の目的
- バイオインクとサポートマトリックスの製造方法を探求すること。
- カスタマイズされたバイオインクを使用したバイオプリンティングプロセスを実演すること。
- 印刷された構造物の機械的特性と生存可能性を評価すること。
使用された方法
- バイオインクの特性を評価するためのレオメトリ。
- 注入可能性を決定するための粘度測定プロファイル。
- ゲル化特性を評価するための振動試験。
- バイオプリントされた構造物を設計するためのCADモデリング。
主要な結果
- 印刷された構造物の解像度は、押出圧力を調整することで調整可能でした。
- 異なるバイオインクの組成を使用して、勾配の機械的特性を達成しました。
- 培養期間全体を通じて高い細胞生存可能性が維持されました。
- 材料は時間とともにリモデリング特性を示しました。
結論
- シアー処理は、バイオプリンティングに適したバイオインクを作成するのに効果的です。
- 適切なローディングと架橋は、再現可能な結果を得るために重要です。
- 組織構造物の長期培養は、刺激に対する細胞応答を明らかにします。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Suspended 3D bioprinting using agarose fluid gels formed by shear processing enables the fabrication of complex, high-resolution tissue constructs from low-viscosity bioinks. This approach addresses a key challenge in bioprinting by providing a tunable, supportive matrix that maintains construct fidelity and allows integration of multiple bioinks for region-specific properties. The method enhances predictive confidence in early-stage tissue engineering and supports portfolio advancement by enabling reproducible, scalable workflows for advanced biomaterial development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates interrogation of bioink compatibility and mechanical property gradients in engineered tissues.
- Enables functional validation of support matrices for complex construct formation.
- Supports predictive confidence in material selection and construct design for downstream applications.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, reproducible support beds for high-resolution bioprinting workflows.
- Standardizes rheological and viscometric assessment of bioinks for quantitative assay development.
- Enables scalable screening of bioink formulations and construct geometries.
Translational & Preclinical Research
- Supports creation of tissue constructs with region-specific chemical and mechanical properties relevant to disease modeling.
- Enables long-term culture and assessment of cell viability and material remodeling in preclinical models.
- Provides continuity from discovery-stage material validation to translational tissue engineering studies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling robust hypothesis testing of bioink and support matrix combinations, supporting lead identification and validation of tissue constructs for advanced applications.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven evaluation of bioink performance and construct stability under physiologically relevant conditions.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative rheological and viscometric outputs for bioink and support matrix assessment.
- Analytics: Provides mechanical and structural readouts to compare construct fidelity and material remodeling.
- Translational Research: Aligns with preclinical requirements for tissue construct viability and functional integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for rapid prototyping and validation of new bioink formulations and construct designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in construct fidelity and material performance.
- Operational Value: Standardizes bioprinting and rheological assessment for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for bioink and construct development, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of tissue engineering programs and advanced biomaterial assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rheology, viscometry, and bioprinting instrumentation.
- Demands access to calibrated rheometers, bioprinters, and CAD modeling tools.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation and testing protocols.
- Adaptation may be needed for different bioink chemistries and construct geometries.
- Careful control of cross-linking and support removal is essential for reproducible outcomes.
