엔지니어 드 바이오 필름의 3 차원 패터 닝-it-스스로 바이오 필름

Summary

본 문서에서는 저가형 상업용 3D 프린터를 세균 3D 프린터로 변환 하 여 패턴화 된 바이오 필름의 인쇄를 촉진할 수 있는 방법을 설명 합니다. 바이오 필름 및 바이오 잉크를 제조 하는 데 필요한 모든 측면 뿐만 아니라 생물 막의 형성을 평가 하기 위한 검증 방법도 설명 합니다.

Abstract

바이오 필름은 자체 생산 된 공간적으로 패턴화 된 세포 외 기질에 내장 된 박테리아의 집합체 이다. 생물 막 내의 박테리아는 잠재적인 건강 위험을 제기 하는 향상 된 항 생 저항을 개발 합니다, 그러나 또한 식 수의 정화와 같은 환경 신청을 위해 유익할 수 있습니다. 항균 치료제 및 생물 막에서 영감을 얻은 응용 분야의 추가 개발은 생물 막 생성을 위한 재현 가능 하 고 공학 가능한 방법의 개발을 요구할 것입니다. 최근에는 세균 잉크로 수정 된 3 차원 (3d) 프린터를 이용한 바이오 필름 제제의 신규 한 방법이 개발 되 고 있다. 이 문서에서는 세균 유도 재료 처리에 여러 응용 프로그램을 제공 하는이 효율적이 고 저렴 한 3D 바이오 제약 업체를 구축 하는 데 필요한 단계를 설명 합니다. 이 프로토콜은 적용 가능한 상업용 3D 프린터로 시작 하 여 압출 기를 주사기 펌프 시스템에 연결 된 바이오 잉크 디스펜서로 교체한 후 제어 되 고 연속적인 바이오 잉크 흐름을 가능 하 게 합니다. 생물 막 인쇄에 적합 한 바이오 잉크를 개발 하기 위해, 조작 된 대장균 박테리아를 알지 네이트 용액에 현 탁 시킨 후, 이들이 칼슘을 함유한 표면과 접촉 하 여 응고 되도록 하였다. 인쇄 기판 내에 유도 화학 물질의 포함은 인쇄 된 바이오 잉크 내에서 생물 막 단백질의 발현을 구동 한다. 이 방법을 사용 하면 인쇄 된 바이오 필름의 개별 레이어로 구성 된 다양 한 공간 패턴의 3D 인쇄가 가능 합니다. 이러한 공간적으로 제어 되는 생물 막은 모델 시스템의 역할을 할 수 있으며, 항생제 내성 예방 또는 음 용 수 정화 등 사회에 광범위 한 영향을 미치는 여러 분야의 응용 분야를 찾을 수 있습니다.

Introduction

현재 이러한 물질의 시장 수가 증가 함에 따라 공간적으로 패턴화 된 재료의 생산을 위한 친환경적이 고 지속 가능한 솔루션을 개발 해야 하는 필요성이 커지고 있다¹. 이 문서는 이러한 재료의 생산을 위한 간단 하 고 경제적인 방법을 제시 하 고, 따라서 미래의 응용 프로그램의 큰 스펙트럼을 제공 합니다. 여기에 제시 된 방법은 살아있는 박테리아를 포함 하는 바이오 잉크를 사용 하 여 공간적으로 패턴 된 구조의 3 차원 (3d) 인쇄를 허용 한다. 박테리아는 자연 또는 공학적 된 신진 대사 활동을 수행 하는 박테리아를 가능 하 게 1 주일 이상 인쇄 된 구조 내에서 가능한 남아. 인쇄 된 박테리아는 예를 들어 기능적 가교 된 생물 막²를 생성 하 여 인쇄 된 구조 내에서 원하는 성분을 생성 하 고 침전 시킬 수 있다.

첨단 소재 생산을 위한 전통적인 방법에는 높은 에너지 지출 (예: 고온 및/또는 압력)이 포함 되며 대량의 화학 폐기물을 생산할 수 있으며, 종종 비용-광범위 한 활용도가 요구 되는 독성 물질을 생산 합니다.^{3 ,4}. 대조적으로, 여러 세균 ....

Protocol

1. 상업용 3D 프린터를 3D 바이오 제약으로 변환

1. 프린터 프레임에서 상업용 3D 프린터 (재질 테이블)의 압출 기와 히터를 분리 하 고 메인 회로 기판에서 이러한 요소를 제어 하는 배선을 분리 합니다 (그림 1a). 프린터의 작동 온도를 제어 하는 센서가 프린터 소프트웨어와 통신 하기 위해 작동 해야 하므로, 인쇄 소프트웨어에서 작동 온도에 도달할 때까지 인쇄를 지연 시키는 알고리즘을 제거 하십시오.
2. 실리콘 튜빙 (내경 1mm)을 통해 피 펫 팁 (200 µ L 팁)을 주사기 펌프에 넣은 5Ml 주사기에 연결 합니다. 원래 압출 기의 대체품으로 3D 프린터 압출 기 헤드에 피 펫 팁을 장착 합니다 (그림 1b).
3. 여러 종류의 바이오 잉크가 사용 되는 경우, 추가 튜빙 시스템 및 피 펫 팁을 프린터에 장착 하십시오.

2.3D 프린팅을 위한 기판 준비

1. 5Mcacl₂ 용액 5ml를 400 ml의 1%에 첨가 하 여 적당 한 항생제와 유도 제 (여기에 34 µ 클로 람 페니 콜 및 0.5% 람 코)로 보충 한다....

Results

바이오 필름의 성공적인 3D 프린팅에 대 한 첫 번째 단계는 상업용 3D 프린터를 바이오 필름으로 변환 하는 것입니다. 이 변환은 폴리머 잉크로 인쇄 하도록 설계 된 프린터의 압출 기와 히터를 제거 하 고 살아있는 박테리아를 포함 하는 바이오 잉크를 인쇄 하는 데 적합 한 구성 요소로 대체 함으로써 달성 됩니다 (그림 1a). 압출 기는 주사기 펌프에 연결 된 튜빙 시스템에 부착 된 피 펫 팁 (또는 여러 개의 바이오 잉크가 인쇄 과정에서 사용 될 경우 팁)으로 대체 된다 (도 1b). 상용 프린터를 바이오 의약품으로 성공적으로 변환 하는 것은 주사기 펌프에서 튜브 시스템 및 피 펫 팁을 통해 원하는 바이오 잉크 (들)를 누설 또는가 열 하지 않고 인쇄 표면에 전달 하는 기능에 기초 하 여 평가할 수 있습니다 바이오 잉크. 인쇄 중에 바이오 잉크의 흐름으로 인해 튜.......

Discussion

엔지니어링 된 바이오 필름의 3D 프린팅을 위해 여기에 제시 된 프로토콜은 두 가지 중요 한 단계를가지고 있습니다. 첫 번째는 특정 인쇄 해상도를 생산 하는 가장 중요 한 요인이 되는 한 천 인쇄 면의 준비입니다. 인쇄 표면이 평평 하 고 프린트 헤드의 피 펫 팁이 표면에서 올바른 높이로 배치 되었는지 확인 하는 것이 중요 합니다. 표면이 평평 하지 않으면 인쇄 과정에서 작동 거리가 변경 됩니다. 작동 거리가 0.1 mm 미만인 경우, CaCl₂ 용액은 피 펫 팁 내부에 들어가서 하이드로 겔 형성을 일으켜 피 펫 팁이 막히는 원인이 될 수 있습니다. 작동 거리가 0.3 mm 이상인 경우 젤을 연속적으로 인쇄할 수 없습니다. 이 연구에서 최적의 작업 거리는 0.2 mm입니다. 평평한 한 천을 준비 하기 위한 좋은 접근법 인쇄 표면은 더 큰 직경의 페 트리 접시 (90-mm 직경 플레이트 보다는 150-지름 페 트리 디쉬)를 사용 하 여 평평한 테이블에 플레이트를 배치 하 고 천을 부 어 신속 하 고 균일 한 속.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D 프린터	CoLiDo	3D-P 키트
3D 프린팅 소프트웨어	CoLiDo	Print-Rite ColiDo Repetier-Host v2.0.1
Agar	Sigma-Aldrich	05040
CaCl2 dihydrate	Sigma-Aldrich	C7902
Centrifuge	Eppendorf	5810 R
Chloramphenicol	Sigma-Aldrich	3886.1
LB 육수 가루	Sigma-Aldrich	L3022
Orbital shaker	VWR	89032-092	Model 3500
Petri dish	VWR	25384-326	150 x 15 mm
Rhamnose	Sigma-Aldrich	83650
실리콘 튜빙	VWR	DENE 3100103/25
주사기 펌프	ProSense B.V.	NE-300
알긴산 나트륨	시그마-알드리치	W201502
구연산 나트륨 일염기	성 시그마-알드리치	71498
하이드로옥사이드 나트륨	VWR	28244.295