Płynne żele agarozowe utworzone przez obróbkę ścinającą podczas żelowania do zawieszonego biodruku 3D

Możliwość stosowania różnych biotuszy ma zasadnicze znaczenie dla pomyślnego rozwoju struktur biodrukowanych, a technologia ta ułatwia stosowanie materiałów, które są na ogół niekompatybilne z konwencjonalnymi technikami druku. Podłoże zawieszające zapobiega zapadaniu się biotuszy o niskiej lepkości po osadzeniu i umożliwia integrację różnych biotuszów w jednym konstrukcie w celu stworzenia regionalnych różnic we właściwościach chemicznych i mechanicznych, które są bardziej zbliżone do tkanki rodzimej. Procedurę zademonstrują dr Tom Robertson, pracownik naukowy z Uniwersytetu w Birmingham oraz dr Jessica Senior, pracownik naukowy z Uniwersytetu w Huddersfield.

Aby rozpocząć, włącz reometr i włóż 40-milimetrową ząbkowaną geometrię, pozwalając mu stać przez 30 minut. Wyzeruj wysokość szczeliny reometru za pomocą funkcji wysokości zerowej szczeliny. Dodaj około dwóch mililitrów próbki na dolną płytkę i opuść górną geometrię, aby utworzyć szczelinę o wysokości jednego milimetra.

Przyciąć próbkę, usuwając nadmiar materiału wyrzuconego spomiędzy płytek za pomocą płaskiej, nieściernej krawędzi, aby odciągnąć nadmiar płynu od szczeliny, i zanurzyć ją w bibułce. Aby określić możliwość wstrzykiwania biotuszu, wykonaj profile wiskozymetryczne, wybierając Test wiskozymetrii z opcji użytkownika. Wprowadź parametry testu rampy z kontrolowaną szybkością ścinania przy prędkości od 0,1 do 500 na sekundę z jednominutowym czasem narastania.

Załaduj nową próbkę i powtórz proces, aby zapewnić odtwarzalność. Aby określić charakterystykę żelowania biotuszu, przeprowadzono testy małych odkształceń, wybierając testy oscylacyjne z opcji użytkownika. Wprowadź parametry do testu pojedynczej częstotliwości pod stałym obciążeniem, jako częstotliwość jednego herca, odkształcenie 0,5% w ciągu jednej godziny, podczas gdy atrament żeluje.

Powtórzyć badanie rampy wiskozymetrycznej na nowych próbkach pod kontrolą naprężeń, stosując górne i dolne naprężenia określone na podstawie badania rampy z kontrolowaną szybkością ścinania w kroku, jak pokazano wcześniej. Aby wykonać pomiary amplitudy i częstotliwości in situ na próbkach żelowych, wybierz test oscylacyjny z opcji użytkownika. Po wybraniu przemiatania amplitudy wprowadź parametry testu przemiatania amplitudy, który jest kontrolowany odkształceniem w zakresie od 0,01 do 500% przy stałej częstotliwości jednego herca.

Po zakończeniu testu przeanalizuj widma, aby określić liniowy obszar lepkosprężysty. Załaduj nową próbkę do reometru i pozwól jej się zżelować. Następnie wybierz test oscylacyjny z opcji użytkownika.

Wybierz test częstotliwości i parametry częstotliwości wejściowej w zakresie od 0,01 do 10 Hz oraz odkształcenie w liniowym obszarze lepkosprężystym widm wyznaczone na podstawie uzyskanych wcześniej danych amplitudy. Aby uruchomić oprogramowanie CAD i rozpocząć generowanie modelu CAD, należy wybrać opcję Narzędzia, a następnie kliknąć na Materiały w oprogramowaniu CAD, aby zdefiniować parametry druku dla wybranego biotuszu. Wprowadź szacowaną średnicę filamentu w zakładce Grubość, aby określić grubość z każdej warstwy.

Aby zaprojektować strukturę warstwa po warstwie, użyj zakładek Warstwy w oprogramowaniu, pogrupuj warstwy za pomocą karty Grupuj i przypisz każdą warstwę do poziomu na płaszczyźnie z za pomocą zakładki Poziom. Wygeneruj strukturę kratową, tworząc jedną warstwę z włóknami wzdłuż osi x i drugą warstwę wzdłuż osi y i przypisz obie do osobnego poziomu. Na karcie Grupuj określ wysokość budowy, wybierając liczbę powtarzających się jednostek w konstrukcji.

Następnie kliknij narzędzie Generuj, aby utworzyć kod G dla projektu i wyświetlić render 3D konstrukcji. W biodrukarce wlej biotusz do wkładu drukującego i wkręć go w głowicę drukującą nad mikrozaworem. Następnie kliknij funkcję pomiaru długości igły, aby skalibrować głowicę drukującą.

Następnie podłącz zmontowaną głowicę drukującą do pneumatycznego układu ciśnieniowego i załaduj naczynie do hodowli na platformę drukującą. Po wybraniu odpowiedniego nacisku otwórz wygenerowany wcześniej kod G i kliknij przycisk Uruchom, aby rozpocząć proces drukowania. Po zakończeniu drukowania tętnicy szyjnej użyj strzykawki i igły, aby wstrzyknąć dwa mililitry 200-milimolowego dwuwodzianu chlorku wapnia wokół konstruktu.

Po upływie co najmniej trzech godzin usuń podłoże z płynnego żelu z okolic konstrukcji i delikatnie umyj je w PBS. Następnie usuń konstrukcję z kąpieli podtrzymującej za pomocą szpatułki. Zaobserwowano dostosowanie rozdzielczości druku sieci alginianowych i kolagenowych w funkcji średnicy filamentu poprzez wytłaczanie przy 30, 60 i 120 kilopaskalach, a wyniki wykazały, że rozdzielczość można bezpośrednio dostroić do zmian ciśnienia wytłaczania.

Aby uzyskać gradient właściwości mechanicznych podobny do tych, które występują w skórze, zastosowano różne proporcje pektyn i kolagenu w warstwie skórnej i podskórnej, w wyniku czego uzyskano strukturę bez oznak rozwarstwienia. Po 14 dniach hodowli, podczas których materiały usztywniały się, zaobserwowano wysoki poziom żywotności komórek w całej strukturze, co wskazuje na przebudowę materiału. W przypadku reologii ważne jest, aby próbka była prawidłowo załadowana, aby zapewnić powtarzalne dane, a w przypadku biodruku ważne jest, aby struktura była w pełni usieciowana przed usunięciem jej ze złoża nośnego.

Hodowla konstruktów tkankowych na dużą skalę przez dłuższy czas pomaga zbadać reakcję osadzonych komórek na bodźce fizyczne i chemiczne.