एक के साथ इंजीनियर Biofilms के तीन आयामी Patterning यह अपने आप Bioprinter
Summary
इस लेख में एक कम लागत वाणिज्यिक 3 डी प्रिंटर एक जीवाणु 3D प्रिंटर है कि नमूनों biofilms के मुद्रण की सुविधा कर सकते में बदलने की एक विधि का वर्णन है । बायोफिल्मस और बायो-इंक को तैयार करने के सभी आवश्यक पहलुओं का वर्णन किया गया है, साथ ही बायोफिल्म्स के गठन का आकलन करने के लिए सत्यापन के तरीके भी बताए गए हैं ।
Abstract
Biofilms एक स्व में एंबेडेड बैक्टीरिया का समुच्चय है spatially नमूनों extracellular मैट्रिक्स का उत्पादन किया । एक biofilm के भीतर बैक्टीरिया बढ़ाया एंटीबायोटिक प्रतिरोध है, जो संभावित स्वास्थ्य खतरों बन गया है विकसित, लेकिन यह भी पीने के पानी की शुद्धि के रूप में पर्यावरण अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद हो सकता है । विरोधी बैक्टीरियल चिकित्सा और biofilm प्रेरित अनुप्रयोगों के आगे विकास, biofilm निर्माण के लिए प्रतिलिपि बनाने योग्य, इंजीनियनीय तरीकों के विकास की आवश्यकता होगी । हाल ही में, biofilm तैयारी का एक उपंयास विधि एक संशोधित तीन आयामी एक जीवाणु स्याही के साथ (3D) प्रिंटर का उपयोग कर विकसित किया गया है । यह लेख इस कुशल, कम लागत 3 डी बायोप्रिंटर कि जीवाणुजनित-प्रेरित सामग्री प्रसंस्करण में कई अनुप्रयोगों प्रदान करता है बनाने के लिए आवश्यक कदम का वर्णन है । प्रोटोकॉल एक अनुकूलित वाणिज्यिक 3 डी प्रिंटर जिसमें extruder एक जैव स्याही एक सिरिंज पंप एक नियंत्रणीय सक्षम, जैव स्याही के सतत प्रवाह को सक्रिय करने के लिए कनेक्ट मशीन के साथ प्रतिस्थापित किया गया है के साथ शुरू होता है । बायोफिल्म प्रिंटिंग के लिए उपयुक्त बायो-इंक को विकसित करने के लिए, इंजीनियर एचेरिचिया कोलाई बैक्टीरिया को एल्जिनेट के सॉल्यूशन में निलंबित कर दिया गया, ताकि वे कैल्शियम युक्त सतह के संपर्क में जम जाएं । मुद्रण सब्सट्रेट के भीतर एक प्रेरक रसायन का समावेश biofilm प्रोटीन की अभिव्यक्ति मुद्रित जैव स्याही के भीतर ड्राइव । इस विधि मुद्रित biofilms के असतत परतों से बना विभिन्न स्थानिक पैटर्न के 3 डी मुद्रण के लिए सक्षम बनाता है । इस तरह के spatially नियंत्रित biofilms मॉडल सिस्टम के रूप में सेवा कर सकते है और कई क्षेत्रों में अनुप्रयोगों है कि समाज पर एक व्यापक प्रभाव एंटीबायोटिक प्रतिरोध की रोकथाम या पीने के पानी के शुद्धिकरण सहित, में मिल सकता है, दूसरों के बीच ।
Introduction
वर्तमान में एक बढ़ती जरूरत है spatially-नमूनों सामग्री के उत्पादन के लिए पर्यावरण के अनुकूल, टिकाऊ समाधान विकसित करने के लिए, इस तरह की सामग्री के लिए बाजार के विस्तार की संख्या के कारण1। यह लेख इस तरह की सामग्री के उत्पादन के लिए एक सरल, किफायती तरीका प्रस्तुत करता है और इसलिए भविष्य के अनुप्रयोगों के एक बड़े स्पेक्ट्रम की पेशकश । विधि यहां प्रस्तुत की अनुमति देता है तीन आयामी (3 डी) spatially-patterned संरचनाओं के मुद्रण एक जैव-स्याही युक्त रहने वाले बैक्टीरिया का उपयोग कर । बैक्टीरिया एक सप्ताह से अधिक के लिए मुद्रित संरचनाओं के भीतर व्यवहार्य रहते हैं, बैक्टीरिया को प्राकृतिक या इंजीनियर चयापचय गतिविधियों प्रदर्शन करने के लिए सक्षम । मुद्रित बैक्टीरिया इस प्रकार उत्पादन और मुद्रित संरचना के भीतर वांछित घटक जमा कर सकते हैं, उदाहरण के लिए एक कार्यात्मक पार से जुड़े biofilm2बनाने ।
उंनत सामग्री के उत्पादन के लिए पारंपरिक तरीकों उच्च ऊर्जा व्यय शामिल (जैसे, उच्च तापमान और/या दबाव) और रासायनिक अपशिष्ट की बड़ी मात्रा में उत्पादन कर सकते हैं, अक्सर विषाक्त पदार्थ है कि लागत-व्यापक उपयोग की आवश्यकता3 ,4. इसके विपरीत, एकाधिक बैक्टीरियल प्रजातियों सामग्री है कि विभिंन उद्योगों में आसानी से लागू किया जा सकता है का उत्पादन करने में सक्षम हैं । इन सामग्रियों में पॉलीहाइड्रॉक्सीऐल्कानोट्स (फ़्लिपकार्ट)5 या पॉली (ग्लाइकोलाइड-सह-लैक्टाइड) (पीजीएलए)6, बैक्टीरियल सेलुलोस7, बैक्टीरियल कंक्रीट मैटेरियल्स8, बायोमिकल कंपोजिट9, जैसे पॉलिमर शामिल हैं । एमिलॉयड आधारित चिपकने वाले10, या जैव आधारित विद्युत स्विच11, दूसरों के बीच में । इसके अलावा, मूल्यवान सामग्री के जीवाणु उत्पादन आमतौर पर लगभग परिवेश तापमान और दबाव और जलीय वातावरण में जगह लेता है, की आवश्यकता होती है या जहरीले यौगिकों के उत्पादन के बिना. जबकि साहित्य में बैक्टीरिया के साथ सामग्री का उत्पादन किया गया है और कुछ औद्योगिक अनुप्रयोगों पहले से ही12,13उभरा है, स्थानिक ऐसी सामग्रियों के नमूनों के लिए एक विश्वसनीय तरीका एक चुनौती बनी हुई है ।
यह लेख एक 3 डी बैक्टीरियल प्रिंटर में एक कम लागत वाणिज्यिक 3 डी प्रिंटर परिवर्तित करने के लिए एक सीधे आगे की विधि प्रदर्शित करता है । इस प्रोटोकॉल से पता चलता है कि कैसे तैयार करने के लिए एक जैव स्याही युक्त और जीवित बैक्टीरिया को बनाए रखने, साथ ही कैसे substrates तैयार करने के लिए जिस पर 3 डी मुद्रण प्रदर्शन किया जा सकता है । इस विधि प्राकृतिक और इंजीनियर बैक्टीरियल उपभेदों सामग्री का उत्पादन करने में सक्षम की एक किस्म के साथ प्रयोग करने के लिए उपयुक्त है । इन बैक्टीरिया स्थानिक रूप एक 3 डी मुद्रित संरचना के भीतर वितरित किया जा सकता है और अभी भी उनकी चयापचय गतिविधि जारी है, जो वांछित बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित सामग्री का एक स्थानिक वितरण में परिणाम होगा ।
इस मुद्रण विधि biofilms के additive के निर्माण में सक्षम बनाता है, एक आत्म उत्पादित extracellular मैट्रिक्स से घिरे बैक्टीरिया के समुच्चय । Biofilms विषमांगी 3 डी नेटवर्क है जिसमें प्रोटीन, पॉलिमर, जीवाणु कोशिकाओं, ऑक्सीजन, और पोषक तत्वों सभी स्थानिक रूप14संरचित कर रहे हैं । जबकि एक biofilm के रूप में, जीवाणु एक वृद्धि हुई एंटीबायोटिक प्रतिरोध और संरचनात्मक मजबूती, उंहें चिकित्सा कैथेटर और प्रत्यारोपण सहित सतहों से उंमूलन मुश्किल बना प्रदर्शन । Biofilm संपत्तियों के लिए महत्वपूर्ण है, और भी biofilm अनुसंधान के लिए सबसे बड़ी चुनौती है, biofilm की विविधता15,16,17लगता है । स्थानिक-नियंत्रित मॉडल बायोफिल्ंस का उत्पादन विशेष रूचि का होता है, क्योंकि यह जैव-फिल्म घटकों के आकाशीय पैटर्न को या तो पुन: उत्पादित करने या समस्वरण के लिए अनुमति देगा, लगभग किसी भी सतह पर बायोफिल्ंस के स्थिर जमाव को समझने में सहायता करेगा । प्रकृति.
इस अनुच्छेद 3 डी-मुद्रित hydrogels युक्त इंजीनियर ई. कोलाई बैक्टीरिया है कि एक प्रेरक की उपस्थिति में biofilms प्रोटीन का उत्पादन, साथ ही biofilms निर्माण के सत्यापन के तरीकों का उपयोग कर biofilms के उत्पादन के लिए एक विधि प्रस्तुत करता है2 . इन जैव-फिल्मों के प्रमुख कोशिकामय मैट्रिक्स घटक हैं कर्ली एमीलॉयड फाइबर18 जिनमें स्व-संयोजित सीएसजीए प्रोटीन होते हैं । जब इंजीनियर ई. कोलाई बैक्टीरिया csga प्रोटीन व्यक्त करने के लिए प्रेरित कर रहे हैं, वे एक स्थिर मॉडल biofilm कि कोशिकाओं की रक्षा के खिलाफ मुद्रण सतह से धोया जा रहा है फार्म । इस तरह के एक 3 डी मुद्रित biofilm और स्थानिक रूप नियंत्रित किया जा सकता है multiscale biofilm संरचना की जांच के लिए एक उपयोगी अनुसंधान उपकरण के रूप में सेवा कर सकते है-फंक्शन यांत्रिकी या भौतिकविज्ञान19। ये bespoke biofilms biofilms गठन और उनके यांत्रिक गुणों के सिद्धांतों की समझ सहायता, अंय अनुप्रयोगों के बीच एंटीबायोटिक प्रतिरोध के तंत्र में आगे अनुसंधान को सक्षम करेगा ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इंजीनियर बायोफिल्म्स के 3डी प्रिंटिंग के लिए यहां पेश किए गए प्रोटोकॉल में दो अहम कदम हैं । सबसे पहले आगार छपाई सतह की तैयारी है, जो एक विशिष्ट मुद्रण संकल्प के उत्पादन के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक है । य?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस कार्य को एक एकार्ड ग्रांट (सं.) द्वारा समर्थित किया गया था । FA2386-18-1-4059), नेनो विज्ञान कार्यक्रम के फ्रंटियर्स के भाग के रूप में वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए नीदरलैंड संगठन (NWO/OCW), और उंनत सामग्री NWO-NSFC कार्यक्रम (No. 729.001.016) । लेखकों रेमन वान der Valk और रोलाण्ड Kieffer की प्रयोगशाला सहायता स्वीकार करते हैं ।
Materials
| 3D printer | CoLiDo | 3D-P Kit | |
| 3D printing software | 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 broth powder | Sigma-Aldrich | L3022 | |
| Orbital shaker | VWR | 89032-092 | Model 3500 |
| Petri dish | VWR | 25384-326 | 150 x 15 mm |
| Rhamnose | Sigma-Aldrich | 83650 | |
| Silicon tubing | VWR | DENE 3100103/25 | |
| Syringe pump | ProSense B.V. | NE-300 | |
| Sodium alginate | Sigma-Aldrich | W201502 | |
| Sodium citrate monobasic | Sigma-Aldrich | 71498 | |
| Sodium hydrooxide | VWR | 28244.295 |
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