Nieuwe proces voor afdrukken in 3D Decellularized Matrices
January 7th, 2019
Dit protocol beschrijft de productie van polycaprolactone (PCL) gloeidraad met ingesloten polylactic acid (PLA) microsferen waarin decellularized matrices (DM) voor afdrukken in 3D van structurele weefsel engineering constructies.
Deze methode maakt het mogelijk om zowel structurele kunststoffen als biologische componenten voor weefselgemande steigers te co-printen. Deze steigers kunnen de inheemse weefselomgeving nauwkeuriger repliceren, wat gunstig kan zijn voor gekweekte cellen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het mechanisch geluidsstructuren kan afdrukken zonder het biologische materiaal dat in de steigers is ingekapseld te beschadigen in een alles-in-één techniek voor weefseltechniek.
Produceer microsferen met de gewenste matrix ingekapseld. Deze microsferen werden gemaakt met gedecellulariseerd kraakbeen uit varkensachterpoten. Ze variëren in grootte.
Werk met een zeefmachine om microsferen van geüniformeerde grootte te verkrijgen. Zorg ervoor dat de drie zeefbakken voor gebruik grondig zijn gereinigd en gedroogd. Monteer de zeefshaker met de grotere mesh tray erop en de kleinere mesh tray in het midden.
Leg de zeefpan op de bodem. Plaats droge microsferen in de bovenste lade. Plaats vervolgens het deksel op de lade.
Grof zeef gedurende acht tot tien minuten. Dan fijne zeef voor acht tot tien minuten. Tijdens het wachten, schik wegen papier voor de gezeefde bollen.
Wanneer het zeven is voltooid, verwijder voorzichtig een zeeflade. Plaats de lade ondersteboven op het weegpapier. Tik voorzichtig op de zijkanten om ervoor te zorgen dat de meeste bollen eruit vallen.
Met alle zeefplaten geleegd op weegpapier, gooi de oversized en ondermaatse bollen. De resterende bollen hebben de juiste grootte voor gebruik in volgende stappen. Plaats deze bollen in een gelabelde centrifugebuis.
Bewaar de buis in een 20 graden Celsius vriezer tot het nodig is. Weeg het materiaal dat nodig is om het filamentmateriaal te maken. Maak een gewichtsverhouding van één tot vier van microsferen tot polycaprolactonepoeder met ten minste 25 gram microsferen.
Breng het poedermengsel over op een miniatuur rolmixer. Meng het poeder op 20 rotaties per minuut gedurende vijf minuten. Na vijf minuten, stop de rotatie en draai de container.
Meng vervolgens bij 20 rpm voor een extra vijf minuten. Om verder te gaan, neem het mengsel naar een extruder en spooler setup. Stel de extruder zo in dat de uitlaat ongeveer 60 centimeter verwijderd is van de inlaat van een spoeler.
Zorg er dan voor dat er geen isolerende jas is. Plaats een desktop ventilator ongeveer halverwege tussen de extruder en spooler om het extrudaat te koelen. Zet een andere ventilator in de buurt van de verwarming jas om het te koelen met omgevingslucht.
Zorg er vervolgens voor dat het juiste mondstuk aan de extruder wordt bevestigd en stel de temperatuur van het verwarmingselement in. Start de koelventilatoren en laat het instrument een stabiele toestand bereiken. Na 20 tot 30 minuten, krijgen de microsfeer PCL mengsel en vul de extruder hopper.
Zet de spooler en de extruder vijzel aan om filamentextrusie te starten. Gebruik tangen en trek handmatig aan de initiële geëxtrudeerde gloeidraad. Voer de gloeidraad aan de filamentspoeler.
Terwijl het wordt geëxtrudeerd, observeer de gloeidraad om de samenstelling ervan te identificeren. Na enige tijd zal de gloeidraadsamenstelling uniform lijken, wat gewenst is. Wikkel tape rond de gloeidraad om het begin van het uniforme gebied te markeren.
Buiten de spooler rollen, monitor de diameter van de gloeidraad. Gebruik remklauwen om te testen of de diameter dicht bij de gewenste 1,75 mm ligt. Pas de spooler en extruder snelheden en temperaturen indien nodig aan.
Om de diameter van de gloeidraad aan te passen, wijzigt u eerst de spooler- en extrudersnelheden. U ook de extrudertemperatuur wijzigen, hoewel dit meestal niet nodig is. Blijf de hopper bijvullen en extruderen totdat al het poeder wordt gebruikt.
Wanneer de hopper bijna leeg is, voeg pcl-poeder toe aan de hopper om het microsfeermengsel weg te spoelen. Controleer het extrudaat terwijl u het PCL-poeder toevoegt. In eerste instantie zullen microsferen nog steeds zichtbaar zijn in het extrudaat.
Uiteindelijk wanneer er geen microsferen meer zichtbaar zijn, stop met het toevoegen van de PCL. Scheid en label de gloeidraad met microsferen in de gewenste concentratie. Wanneer er minimaal poeder in de hopper zit, stop dan met extruderen en zet de apparatuur uit.
De gloeidraad kan worden gebruikt in een standaard gesmolten depositie modellering printer. Laad de gloeidraad in de printer die is uitgerust met sproeiers van de gewenste diameter. Met het geladen model stelt u de temperatuur en lineaire snelheid voor het afdrukken in en begint u met het deponeren van de gloeidraad.
De aangepaste gloeidraad wordt laag voor laag afgezet. Besteed speciale aandacht aan de eerste laag en pas de instellingen aan als dat nodig is. Deze twee 3D-geprinte steigers zijn moeilijk te onderscheiden op deze schaal.
Men heeft filament met polycapralactone, PCL alleen. De andere heeft PCL filament met ingebedde microsferen van polymelkzuur en gedecelluariseerde matrices. Bekeken met behulp van scanning elektronenmicroscopie, de PCL-only steiger lijkt meestal glad.
Voor de andere gloeidraad daarentegen zijn microsferen die in de PCL zijn ingebed in het hele monster zichtbaar. Tijdens het proberen van deze procedure, is het belangrijk om te onthouden dat over of ondermaatse microsferen de stroomdynamiek van het materiaal in de extruder kunnen beïnvloeden. Om deze reden, zorg ervoor dat uw microsferen goed voor te bereiden voorafgaand aan het gebruik.
Om afval te minimaliseren, is het raadzaam om één grote batch filament te maken die nodig is voor alle experimenten in plaats van vaker kleinere batches te maken. Expertise in filament productie zal komen na verloop van tijd. Steigers geproduceerd volgens deze procedure kunnen verder worden beoordeeld in vitro en in vivo om aanvullende vragen over verbeterde inductie en mechanische sterkte in vergelijking met andere bio-bedrukte steigers te beantwoorden.
Na de ontwikkeling maakte deze techniek de weg vrij voor onderzoekers op het gebied van weefseltechniek om contragene inductie van gedecelluariseerde varkensmatrix binnen de 3D-steigers te onderzoeken. Vergeet niet dat het werken met kleine deeltjes ademhalingsrisico's kan opleveren. Het dragen van een klein roetmasker tijdens deze procedure wordt aangemoedigd.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit protocol beschrijft een methode voor het co-printen van structurele synthetische en biologische componenten om weefsel-geengineerde scaffolds te creëren. Deze scaffolds kunnen de oorspronkelijke weefselomgeving nauwkeuriger repliceren, wat gunstig is voor gekweekte cellen.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Weefselengineering
- 3D-printen
- Biomaterialen
Achtergrond
- Decellulaire matrices (DM) worden gebruikt om de functionaliteit van scaffolds te verbeteren.
- Polycaprolacton (PCL) en polymelkzuur (PLA) zijn belangrijke materialen in de productie van scaffolds.
- Microsferen kunnen biologische materialen inkapselen zonder ze te beschadigen.
- Deze techniek maakt de integratie van mechanische en biologische eigenschappen in scaffolds mogelijk.
Doel van het onderzoek
- Om mechanisch stabiele weefsel-geengineerde scaffolds te produceren.
- Om decellulaire matrices binnen microsferen in te kapselen voor verbeterde celcultuur.
- Om een methode te ontwikkelen die structurele en biologische componenten combineert in één printproces.
Gebruikte methoden
- Productie van PCL-filament met ingebedde PLA-microsferen.
- Gebruik van decellulair kraakbeen uit achterpoten van varkens.
- 3D-printtechnieken voor scaffoldfabricage.
- Karakterisering van microsfeergrootte en eigenschappen.
Belangrijkste resultaten
- Met succes scaffolds gecreëerd die de structurele integriteit behouden.
- Aangetoond vermogen om biologische materialen effectief te inkapselen.
- Verbeterde celcultuurcondities binnen de scaffolds getoond.
- De methode gevalideerd voor het produceren van complexe weefsel-geengineerde constructies.
Conclusies
- Deze methode vergroot de potentie voor het creëren van functionele weefselscaffolds.
- Co-printtechnieken kunnen de kloof tussen synthetische en biologische materialen overbruggen.
- Toekomstige toepassingen kunnen regeneratieve geneeskunde en weefselherstel omvatten.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Integrating decellularized matrices within 3D-printed scaffolds enables the creation of tissue-engineered constructs that combine mechanical integrity with biologic functionality. This approach addresses a critical challenge in early discovery and preclinical research by preserving bioactivity during fabrication, supporting predictive confidence in tissue modeling. The method positions bioprinting as a platform for developing disease-relevant systems and advancing translational biomaterials research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of cell-matrix interactions in a controlled 3D environment.
- Supports functional validation of biomaterial cues for progenitor cell behavior.
- Facilitates mechanistic de-risking by preserving biologic agent activity during scaffold fabrication.
- Improves predictive confidence in tissue engineering hypotheses.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible 3D scaffolds for downstream cell-based assays.
- Enables quantitative comparison of scaffold surface features and cell responses.
- Supports assay scalability and platform reuse for compound or biomaterial screening.
- Prepares validated biological systems for reliable evaluation of regenerative cues.
Translational & Preclinical Research
- Aligns scaffold composition with disease-relevant tissue environments for translational studies.
- Enables continuity from discovery through preclinical validation of tissue repair strategies.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by maintaining biologic function in constructs.
- Facilitates in vitro and in vivo assessment of scaffold performance.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery, assay development, and preclinical research by enabling the fabrication of biologically active, mechanically robust 3D scaffolds.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on cell-matrix interactions and biological de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative scaffold outputs for assay readiness.
- Analytics: Provides measurable surface features and composition for comparative analysis.
- Translational Research: Maintains functional biomaterial cues for preclinical model alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for diverse tissue engineering applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and target validation in tissue engineering.
- Operational Value: Standardizes scaffold production with reproducible and scalable outputs.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk and supports efficient go/no-go decisions.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of regenerative medicine programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomaterials processing and 3D printing instrumentation.
- Demands analytical infrastructure for scaffold characterization and quality control.
- Necessitates cross-team standardization of microsphere preparation and extrusion parameters.
- Adaptation may be needed for different tissue types or biologic agents.
- Proper handling of particulates and batch scaling are essential for reproducibility and safety.
