Human kraakbeenweefsel Fabrication behulp van drie-dimensionale Inkjet Printing Technology
10 juni 2014
De in dit document beschreven methoden zien hoe je een commerciële inkjet printer omzetten in een bioprinter met gelijktijdige UV-polymerisatie. De printer is geschikt voor het construeren van 3D-weefselstructuur met cellen en biomaterialen. De studie hier toonde construeerde een 3D neocartilage.
Het algemene doel van deze procedure is om een driedimensionaal menselijk kraakbeenweefsel te construeren om de haalbaarheid van 3D-weefselprinten te testen, met behulp van een aangepaste thermische inkjetprinter met gelijktijdige fotopolymerisatie. Dit wordt bereikt door eerst een commercieel verkrijgbare Hewlett Packard desk jet 500 thermische inkjetprinter en 5 1 16 2 6, een mono kleureninktcartridge, aan te passen tot een bioprinter. De tweede stap is om een eenvoudige 3D-printfase en een UV-lamp met lange golflengte te combineren om instant polymerisatie van geïnjecteerde bio-inkt tijdens het fabricageproces mogelijk te maken.
Vervolgens wordt de bio-inkt bereid door uitgebreide humane articulaire chondrocyten op te schorsen in 10% polyethyleenglycoloplossing bij 5 miljoen cellen per milliliter. De laatste stap is om het kraakbeenweefsel in een laag-voor-laag-wijze te printen met gelijktijdige fotopolymerisatie. Uiteindelijk confocale microscopie en histologie.
Kleuren wordt gebruikt om de gelijkmatige verdeling van afgedrukte chondrocyten in een 3D-hydrogel en uitstekende productie van extracellulair kraakbeenmatrix in het homogene neokraakbeen tijdens de cultuur te tonen. Het belangrijkste voordeel van deze technologie boven bestaande maatregelen zoals polymerisatie na handmatige fabricage of zittende cellen na scan voor de fabricage is dat de afgedrukte cellen precies worden afgeleverd op de tactiele locatie en in positie blijven in de matrix. In plaats van naar de bodem van het scaffold te denken vanwege zwaartekracht, zodat het een homogeen cartridge vormt.
De printeraanpassing die in deze video wordt gedemonstreerd, is gebaseerd op een Hewlett Packard desk jet 500 thermische inkjetprinter en een 5 1 6 2 6 a zwarte inktcartridge. Begin met het verwijderen van de bovenste plastic deksel van de printer en het voorzichtig loskoppelen van het bedieningspaneel van het deksel. Los de drie kabelverbindingen los tussen het bovenste deel van de printer en de basis.
Vervolgens verwijdert u het bovenste deel van de printer van de basis. Vervolgens worden de kleine plastic en rubberen accessoires die de printkopreinigingsset vormen, verwijderd van het bovenste deel van de printer. Verwijder de basis van de papierlade met veren.
Ook de metalen plaat die de kunststof papiervoerstrip bedekt, moet worden verwijderd. Bovendien moet de kunststof papiervoerstrip worden doorgesneden op de middelste voerwielpositie en moeten de twee papiervoerwielen worden verwijderd. Voor het doel van deze video zijn deze componenten al verwijderd.
Na het schoonmaken van stof en vuil met spuitbus en ethanoldoekjes, bevestigt u het bovenste deel van de printer aan de basis voor gebruik van uv. Steriliseer de gemodificeerde printer gedurende ten minste twee uur in een laminaire stroomkast. Om de inktcartridge te wijzigen, knip eerst de dop eraf.
Gebruik een handzaag om de inkt te legen en verwijder het filter dat de bodemreservoir van de cartridge bedekt. Spoel de cartridge grondig af met stromend kraanwater om de resterende inkt ultras te verwijderen. Soniceer de cartridge gedurende 10 minuten in gedeïoniseerd water.
Onderzoek de cartridge om er zeker van te zijn dat alle inkt is verwijderd. Spuit de cartridge grondig in met 70% ethanol voor sterilisatie, gevolgd door gesteriliseerd gedeïoniseerd water. Stel tenslotte een UV-lamp met lange golflengte boven het afdrukplatform in om gelijktijdige fotopolymerisatiecapaciteit te bieden.
Meet de UV-intensiteit op het afdrukplatform met behulp van een UV-lichtmeter. Pas de afstand tussen de UV-lamp en het printerplatform aan, zodat de intensiteit op het afdrukonderwerp tussen de vier en acht milliwatt per vierkante centimeter ligt. Deze afstand tussen de lamp en het printerplatform moet ongeveer 25 centimeter zijn.
De bio-inkt wordt bereid uit humane chondrocyten om chondrocyten uit te breiden in een monolaagplaat. 5 miljoen humane chondrocyten in elke T 1 75 weefselkweekkolf voor celexpansie In DMEM gesupplementeerd met 10% calf serum en een x penicilline streptomycine glutamine cultuurcellen bij 37 graden Celsius met bevochtigde lucht die 5% kooldioxide bevat. Ververs het kweekmedium om de drie dagen totdat de cellen 85% confluent zijn.
Gebruik cellen van dezelfde passage. Bereid de polyethyleenglycol DL of peda-oplossing voor. Los peda op in PBS tot een eindconcentratie van 10% gewicht per volume.
Voeg foto-initiator I 2 9 5 9 toe tot een eindconcentratie van 0,05% gewicht per volume filter. Steriliseer de oplossing wanneer de gekweekte humane chondrocyten 85% confluent zijn. Verzamel de cellen na het berekenen van de celconcentratie.
Breng het volume celsuspensie dat nodig is om bio-inkt voor te bereiden bij 5 miljoen cellen per milliliter over in een kegelvormige buis centrifuge bij 1200 RPM gedurende vijf minuten. Om de cellen te pelleten, aspireer de supernatant en suspendeer de cellen in de voorbereide Pega-oplossing om de bio-inkt te vormen. Om deze procedure te beginnen, zet u de printer en laptop aan met Microsoft Word, maak een afdrukpatroon van een vaste cirkel met een diameter van vier millimeter.
Plaats de plastic mal in de printer. Pas de positie van het patroon aan en zorg ervoor dat het exact in de plastic mal zal afdrukken. Bereken het aantal prints dat nodig is om de gewenste dikte van het scaffold te bereiken.
Voor een hoogte van vier millimeter zijn 220 prints vereist om het gewenste scaffold te maken. Laad de bio-inkt in de inktcartridge. Bedek de cartridge met aluminiumfolie om te beschermen tegen directe uv-blootstelling.
Tijdens het afdrukken, verzendt u de afdrukopdracht naar de printer. Wanneer de printer begint met afdrukken, trekt u aan de papiersensor om door te gaan met afdrukken. Bij afwezigheid van papier dat door de printer passeert, zou het hele afdrukproces minder dan vier minuten moeten duren voor een scaffold met een diameter van vier millimeter en een hoogte van vier millimeter.
Breng het afgedrukte neokraakbeen over naar een 24-well plaat en voeg 1,5 milliliter kweekmedium toe aan elke put. Om de celviabiliteit te evalueren, incubeert
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie demonstreert een methode om een commerciële inkjetprinter om te bouwen tot een bioprinter die in staat is om 3D-weefselstructuren met cellen en biomaterialen te construeren. De focus ligt op het creëren van neocartilago met behulp van een gemodificeerde thermische inkjetprinter met gelijktijdige UV-polymerisatie.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Bioprinting
- Weefseltechnologie
- 3D-printtechnologieën
Achtergrond
- 3D-weefselprinten is een veelbelovende techniek voor de regeneratieve geneeskunde.
- Bestaande printers kunnen worden aangepast voor bioprinttoepassingen.
- Gelijktijdige polymerisatie kan de structurele integriteit van geprinte weefsels verbeteren.
- Humaan articulaire chondrocyten zijn sleutelcellen voor kraakbeentechnologie.
Doel van de studie
- Om de haalbaarheid van 3D-weefselprinten met een aangepaste printer te testen.
- Om een methode te ontwikkelen voor het construeren van menselijk kraakbeenvlees.
- Om de effectiviteit van gelijktijdige fotopolymerisatie bij bioprinten te evalueren.
Gebruikte methoden
- Modificatie van een Hewlett Packard desk jet 500 thermische inkjetprinter.
- Integratie van een 3D-printpodium met een UV-lamp met lange golflengte.
- Bereiding van bio-inkt met menselijke articulaire chondrocyten gesuspendeerd in polyethyleenglycol.
- Laag-voor-laag printen van kraakbeenweefsel met gelijktijdige polymerisatie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle constructie van 3D-neokraakbeen met behulp van de gemodificeerde printer.
- Aantoonbare effectieve polymerisatie tijdens het printproces.
- Gebruik van confocale microscopie en histologie voor analyse.
- Aantonen van potentieel voor verdere toepassingen in tissue engineering.
Conclusies
- De aangepaste inkjetprinter is een bruikbaar instrument voor bioprinten.
- Gelijktijdige UV-polymerisatie verbetert de structurele integriteit van het weefsel.
- Deze methode zou het veld van de regeneratieve geneeskunde kunnen bevorderen.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Deze bioprintbenadering maakt een precieze ruimtelijke controle van menselijke chondrocyten binnen een PEGDA-hydrogel mogelijk, wat bijdraagt aan de reproduceerbare fabricage van 3D-neokraakbeen met een natuurgetrouwe ECM-productie. De strategie van simultane fotopolymerisatie verbetert de cellevensvatbaarheid en de positionele getrouwheid in vergelijking met uitgestelde crosslinking, waarmee een belangrijke uitdaging in schaalbare weefselengineering voor de ontwikkeling van preklinische modellen wordt aangepakt. Dit positioneert de methode als een vertaalbaar platform voor het evalueren van het chondrogene potentieel in workflows voor target-validatie en lead-identificatie.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de stabiliteit van het chondrocytenfenotype te onderzoeken in een biomimetische 3D-micro-omgeving.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerd systeem voor het beoordelen van de depositie van de extracellulaire matrix als functionele readout van de target-interactie.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantificeerbare output van glycosaminoglycanen en collageen type II voor compound-screening in kraakbeen-relevante modellen.
- Operationele waarde: Ondersteunt de reproduceerbaarheid van de assay door laag-voor-laag depositiecontrole en simultane crosslinking.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Vormt ziekterelevant neokkraakbeen met zonale organisatie, wat potentieel biedt voor het mechanistisch verminderen van risico's bij therapeutica tegen artrose.
- Operationele waarde: Slaat een brug tussen discovery en preklinische evaluatie door een consistente celdistributie en scaffold-integratie.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm door een instelbaar 3D-cultuursysteem te bieden dat hypothesetests in chondrogene pathways ondersteunt voorafgaand aan de lead-optimalisatie.
- Discovery Biology: Maakt ruimtelijke patroonvorming van cellen mogelijk om de invloed van de micro-omgeving op het gedrag van chondrocyten en de matrixproductie te bestuderen.
- Screening: Levert gestandaardiseerde microweefsels met kwantificeerbare ECM-outputs voor dosis-responsanalyse bij de evaluatie van verbindingen.
- Analytics: Genereert meetbare biochemische (GAG, collageen II) en op beeldvorming gebaseerde read-outs om experimentele condities te vergelijken.
- Translationeel onderzoek: Produceert homogeen neokraakbeen met native-achtige eigenschappen voor preklinische continuïteit in studies naar kraakbeenherstel.
- Enterprise Reuse: Past commerciële printinfrastructuur aan voor schaalbare, herbruikbare weefselfabricage over meerdere projecten heen.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de voorspellende betrouwbaarheid door chondrocyte-matrixinteracties te recapituleren in een gecontroleerd 3D-formaat.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid door digitale depositiecontrole en onmiddellijke stabilisatie vanHet scaffold.
- Strategische waarde: Vermindert biologisch verlies door vroege beoordeling van chondrogene effectiviteit en stabiliteit mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van targets op basis van functionele matrixproductie in een mensrelevant systeem.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in celkweek, het hanteren van biomaterialen en veiligheid bij fotopolymerisatie.
- Vereist een gemodificeerde inkjetprinter, een UV-lichtbron en mogelijkheden voor de steriele bereiding van bio-inkt.
- Vraagt om standaardisatie van printparameters (celconcentratie, laagdikte, UV-intensiteit) over gebruikers en locaties heen.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen voor verschillende celtypen of biomaterialen buiten chondrocyten/PEGDA.
- Beperkt door de nozzle-resolutie en viscositeitsbeperkingen van de bio-inkt die inherent zijn aan thermische inkjetprinten.
Veelgestelde vragen over Biopharma
Chapters in this video
0:05
Title
1:46
Bioprinting Platform Establishment
4:13
Bioink Preparation
5:44
Cartilage Tissue Printing
6:59
Cell Viability Evaluation in 3D Scaffold
7:30
Results: The Bioprinting Platform Deposits Cells and Scaffold at High Throughput and Excellent Cell Viability
9:03
Conclusion
