Встраиваемая биопечать тканеподобных структур с использованием субмикрогелевого носителя κ-каррагинана
3 мая 2024 г.
В этом исследовании представлена новая субмикрогелевая суспензионная ванна с κ-каррагинаном, обладающая замечательными обратимыми переходными свойствами заклинивания-расклинивания. Эти атрибуты способствуют созданию биомиметических тканей и органов при встроенной 3D-биопечати. Успешная печать тканей сердца/пищевода с высоким разрешением и ростом клеток демонстрирует высокое качество биопечати и приложений тканевой инженерии.
3D-биопечать в суспензионной ванне на основе микрогеля обеспечила универсальную платформу для изготовления сложных 3D-структур с использованием мягких гидрогелей, но она все еще ограничена низким разрешением и точностью печати, что препятствует практическому применению напечатанных продуктов в тканевой инженерии. Современные микрогелевые ванны часто имеют большие размеры и плохую дисперсию, что приводит к большому диаметру и неправильной морфологии напечатанных нитей. Таким образом, это представляет собой значительную проблему при приготовлении микрогелевой ванны с малым размером частиц и однородной морфологией.
Этот протокол предлагает изготовление гомогенной и биосовместимой катионной субмикрогелевой ванны каппа-каррагинана со сшитыми поперечными связями для биопечати с высокой точностью, с помощью простой в использовании стратегии механического измельчения, поскольку субмикрогели каппа-каррагинана демонстрируют единую методологию с малым размером частиц 565 нанометров и низким состоянием 0,35%, что позволяет точно конструировать ткани и органы с удивительной точностью и высоким разрешением.
Обзор
В данном исследовании представлена новая суспензия субмикрогелей κ-каррагинана, которая обладает выраженными свойствами обратимого перехода между состояниями затора и разжижения (jamming-unjamming transition). Эти характеристики расширяют возможности создания биомиметических тканей и органов при помощи встроенной 3D-биопечати, демонстрируя высококачественное применение в тканевой инженерии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- 3D-биопринтинг
- тканевая инженерия
- биоматериалы
Теоретические сведения
- Суспензионные ванны на основе микрогелей используются для создания сложных 3D-структур.
- Современные микрогелевые ванны характеризуются низким разрешением и точностью печати.
- Большой размер и плохая дисперсность микрогелей препятствуют их практическому применению.
- Существует необходимость в микрогелевой ванне с малым размером частиц и однородной морфологией.
Цель исследования
- Создание однородной и биосовместимой ванны из субмикрогеля κ-каррагинана.
- Достижение высокой точности биопечати с помощью стратегии механического измельчения.
- Обеспечение возможности прецизионного конструирования тканей и органов с высоким разрешением.
Используемые методы
- Приготовление порошка κ-каррагинана в PBS.
- Механический помол для достижения малого размера частиц.
- Оценка разрешения и точности печати.
- Оценка роста клеток в напечатанных тканях.
Основные результаты
- Субмикрогели κ-каррагинана имеют однородный размер частиц 565 nanometers.
- Продемонстрирована успешная печать тканей, имитирующих ткани сердца и пищевода.
- В напечатанных структурах наблюдаются высокое разрешение и рост клеток.
- Отмечены свойства обратимого перехода между состояниями затора и разтора (jamming-unjamming).
Выводы
- Ванна с субмикрогелем κ-каррагинана эффективна для высококачественной биопечати.
- Данный метод позволяет решить проблемы, возникающие при подготовке ванн с микрогелем.
- Этот подход может значительно продвинуть применение технологий тканевой инженерии.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Высокоточное встроенное 3D-биопринтинговое создание структур с использованием субмикрогелевых ванн на основе κ-каррагинана устраняет критическое узкое место в тканевой инженерии, обеспечивая точное и воспроизводимое изготовление сложных тканеподобных структур. Данная инновация повышает прогностическую достоверность на ранних этапах разработки тканевых конструктов и поддерживает надежные трансляционные рабочие процессы для создания моделей инженерных тканей и органов. Этот подход стратегически ориентирован на оптимизацию перехода от этапа открытий к доклиническим исследованиям за счет повышения качества конструктов и их биологической релевантности.
Стратегические области применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать взаимодействия между клетками и матриксом в контролируемых 3D-средах.
- Обеспечивает функциональную валидацию тканеспецифичных биочернил и типов клеток.
- Способствует снижению механистических рисков за счет создания воспроизводимых конструктов с высоким разрешением.
Скрининг и разработка анализа
- Позволяет подготавливать стандартизированные биомиметические тканевые скаффолды для последующего скрининга соединений.
- Обеспечивает воспроизводимые и количественные результаты за счет однородного размера микрогельных частиц.
- Обеспечивает масштабируемость аналитических платформ за счет поддержки многослойных конструктов с заданной архитектурой.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет структуру сконструированных объектов с архитектурой тканей при патологиях для проведения трансляционных исследований.
- Поддерживает высокую жизнеспособность и пролиферацию клеток, что способствует разработке доклинических моделей.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия до доклинической валидации благодаря возможности удаления поддерживающей среды после печати.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод создания субмикрогелей на основе κ-каррагинана охватывает все этапы — от первичного поиска до идентификации ведущих соединений и доклинических исследований, обеспечивая разработку тканевых моделей на основе научных гипотез и подготовку соответствующих анализов.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез и уточнению сигнальных путей за счет создания точных 3D-конструкций тканей.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые каркасы с высоким разрешением для надежной оценки соединений.
- Аналитика: предоставляет количественные данные о жизнеспособности, морфологии и пролиферации клеток в инженерных тканях.
- Трансляционные исследования: способствует созданию моделей тканей, релевантных конкретным заболеваниям, для доклинических исследований.
- Корпоративное повторное использование: предлагает стандартизированную масштабируемую платформу для многократного использования в различных программах НИОКР.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при разработке моделей тканей.
- Операционная ценность: улучшает стандартизацию, воспроизводимость и масштабируемость рабочих процессов 3D-биопечати.
- Стратегическая ценность: повышает качество принятия решений о продолжении или прекращении проекта (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет снижения биологических рисков на поздних этапах.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритизацию и продвижение программ тканевой инженерии с учетом скорректированных рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области 3D-биопринтинга и разработки составов гидрогелей.
- Необходим доступ к экструзионным биопринтерам и приборам для контроля размера частиц.
- Требуется стандартизация между исследовательскими группами для воспроизводимого изготовления конструктов.
- Метод адаптируем к различным типам клеток и биочернил при условии обеспечения их совместимости.
- Для достижения оптимальных результатов необходимо поддерживать однородность размера частиц и свойства золь-гель перехода.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:23
Preparation of the κ-Carrageenan Sub‐Microgel Suspension Bath for Embedded 3D Printing
2:25
Printing Biomimetic Hydrogel Scaffolds Using a Custom‐Designed Micro‐Extrusion Bioprinter
3:50
Embedded 3D Bioprinting of Esophageal Muscle‐Layer Analogs for Tissue Engineering
