Askıda 3D biyobaskı için jelasyon sırasında kesme işlemi ile oluşturulan agaroz sıvı jelleri
26 Mayıs 2023
Hidrojel oluşumu sırasında kesme işlemi, kesme kuvvetlerinin giderilmesini takiben kesme inceliğinde ancak hızla yeniden yapılandırılan mikrojel süspansiyonlarının üretilmesiyle sonuçlanır. Bu tür malzemeler, biyobaskı kompleksi, hücre yüklü yapılar için destekleyici bir matris olarak kullanılmıştır. Burada, destekleyici yatağın ve uyumlu biyomürekkeplerin üretiminde kullanılan yöntemler açıklanmaktadır.
Farklı biyomürekkepleri kullanma yeteneği, biyo-baskılı yapıların başarılı bir şekilde geliştirilmesi için çok önemlidir ve bu teknoloji, geleneksel baskı teknikleriyle genellikle uyumsuz olan malzemelerin kullanımını kolaylaştırır. Askıya alma ortamı, biriktirildiğinde düşük viskoziteli biyomürekkeplerin çökmesini önler ve doğal dokuya daha çok benzeyen kimyasal ve mekanik özelliklerde bölgesel farklılıklar oluşturmak için farklı biyomürekkeplerin tek bir yapı içinde entegrasyonuna izin verir. Prosedürü gösterenler, Birmingham Üniversitesi'nden bir araştırma görevlisi olan Dr.Tom Robertson ve Huddersfield Üniversitesi'nden bir araştırma görevlisi olan Dr. Jessica Senior olacaktır.
Başlamak için, reometreyi açın ve 30 dakika beklemesine izin veren 40 milimetre tırtıklı geometriler ekleyin. Sıfır boşluk yüksekliği işlevini kullanarak reometrenin boşluk yüksekliğini sıfırlayın. Alt plakaya yaklaşık iki mililitre numune ekleyin ve bir milimetrelik bir boşluk yüksekliği oluşturmak için üst geometriyi indirin.
Fazla sıvıyı boşluktan uzaklaştırmak için düz, aşındırıcı olmayan bir kenar kullanarak plakaların arasından atılan fazla malzemeyi çıkararak numuneyi kırpın ve kağıt mendille ıslatın. Bioink'in enjekte edilebilirliğini belirlemek için, kullanıcı seçeneklerinden Viskometri testi'ni seçerek viskometri profillerini üstlenin. Bir dakikalık rampa süresiyle saniyede 0,1 ila 500 arasında kesme hızı kontrollü bir rampa testi için parametreleri girin.
Yeni bir numune yükleyin ve tekrarlanabilirliği sağlamak için işlemi tekrarlayın. Bioink'in jelleşme özelliklerini belirlemek için, kullanıcı seçeneklerinden Salınım testi seçilerek küçük deformasyon testleri yapılmıştır. Sabit gerinim altında tek bir frekans testine parametreleri girerek, bir hertz frekansı olarak, mürekkep jelleşirken bir saat içinde %0,5 oranında gerinim oluşur.
Viskometri rampa testini, daha önce gösterildiği gibi, kayma hızı kontrollü rampa testinden belirlenen üst ve alt gerilimleri kullanarak stres kontrolü altındaki yeni numunelerde adım adım tekrarlayın. Jöleli numuneler üzerinde yerinde genlik ve frekans ölçümleri yapmak için, kullanıcı seçeneklerinden bir Salınım testi seçin. Genlik süpürmeyi seçtikten sonra, sabit bir hertz frekansında% 0,01 ila% 500'de gerinim kontrollü bir genlik süpürme testi için parametreleri girin.
Testi tamamladıktan sonra, doğrusal viskoelastik bölgeyi belirlemek için spektrumları analiz edin. Reometreye yeni bir numune yükleyin ve jelleşmesine izin verin. Ardından kullanıcı seçeneklerinden bir Salınımlı test seçin.
0.01 ile 10 hertz arasında frekans testi ve giriş frekansı parametrelerini ve daha önce elde edilen genlik süpürme verilerinden belirlenen spektrumların doğrusal viskoelastik bölgesi içindeki bir gerinim seçin. CAD yazılımını başlatmak ve bir CAD modelinin oluşturulmasını başlatmak için Araçlar seçeneğini belirleyin ve ardından seçilen biyomürekkep için baskı parametrelerini tanımlamak üzere CAD yazılımında Malzemeler'e tıklayın. Her katmanın z kalınlığını belirlemek için tahmini filament çapını Kalınlık sekmesine girin.
Yapıyı katman katman tasarlamak için yazılımdaki Katman sekmelerini kullanın, Grup sekmesini kullanarak katmanları gruplandırın ve Düzey sekmesini kullanarak her katmanı z düzlemindeki bir düzeye atayın. X ekseni boyunca filamentlerle bir katman ve y ekseni boyunca ikinci bir katman oluşturarak bir kafes yapısı oluşturun ve her ikisini de ayrı bir seviyeye atayın. Grup sekmesi altında, yapıdaki yinelenen birimlerin sayısını seçerek yapı yüksekliğini belirleyin.
Ardından, tasarım için bir G kodu oluşturmak ve yapının 3B görüntüsünü görüntülemek için Oluştur aracını tıklatın. Biyoyazıcıda, biyomürekkebi baskı kartuşuna ayırın ve mikro valfin üzerindeki yazıcı kafasına vidalayın. Ardından, yazıcı kafasını kalibre etmek için iğne uzunluğu ölçüm işlevini tıklatın.
Ardından, monte edilmiş yazıcı kafasını pnömatik basınç sistemine bağlayın ve kültür kabını baskı platformuna yükleyin. Uygun bir basınç seçildikten sonra, daha önce oluşturulan G kodunu açın ve yazdırma işlemini başlatmak için Çalıştır'ı tıklatın. Karotis arterin baskısı tamamlandıktan sonra, yapının etrafına iki mililitre 200 milimolar kalsiyum klorür dihidrat enjekte etmek için bir şırınga ve iğne kullanın.
En az üç saat sonra, sıvı jel destek yatağını yapının etrafından çıkarın ve PBS'de nazikçe yıkayın. Daha sonra yapıyı bir spatula kullanarak destek banyosundan çıkarın. Aljinat ve kollajen kafeslerin baskı çözünürlüğünün 30, 60 ve 120 kilopascal'da ekstrüzyon yoluyla filament çapının bir fonksiyonu olarak uyarlanması gözlendi ve sonuçlar, çözünürlüğün ekstrüzyon basıncındaki değişikliklerle doğrudan ayarlanabileceğini gösterdi.
Deride bulunanlara benzer mekanik özelliklerin bir gradyanı elde etmek için, dermal ve hipodermal tabakalarda farklı oranlarda pektin ve kollajen kullanıldı ve bu da delaminasyon belirtisi olmayan bir yapıya neden oldu. Malzemelerin sertleştiği 14 günlük kültürü takiben yapı boyunca yüksek düzeyde hücre canlılığı gözlendi ve bu da malzemenin yeniden şekillendiğini gösterdi. Reoloji için, tekrarlanabilir verileri sağlamak için numunenin doğru şekilde yüklenmesi önemlidir ve biyobaskı için, yapının destek yatağından çıkarılmadan önce tamamen çapraz bağlanması önemlidir.
Büyük ölçekli doku yapılarının uzun süreler boyunca kültürlenmesi, gömülü hücrelerin fiziksel ve kimyasal uyaranlara tepkisini keşfetmeye yardımcı olur.
Genel Bakış
Bu makale, biyobaskıda kullanılabilecek mikrojel süspansiyonları oluşturmak için hidrojel oluşumunda kesme işleminin kullanımını ele almaktadır. Destek yatakları ve biyomürekeplerin üretim yöntemleri, karmaşık, hücre içeren yapıların geliştirilmesindeki önemlerini vurgulayarak detaylandırılmıştır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Biyobaskı
- Hidrojel teknolojisi
- Malzeme bilimi
Arka Plan
- Hidrojeller, doğal dokuları taklit eden yapıların oluşturulmasında esastır.
- Kesme inceltici malzemeler, kesme kuvvetleri kaldırıldıktan sonra hızla yeniden yapılandırılabilir.
- Farklı biyomürekepler, biyobaski yapılan yapılarda çeşitli özelliklerin entegrasyonunu sağlar.
- Başarılı biyobaskı, malzeme özellikleri ve baskı parametrelerinin dikkatli kontrolünü gerektirir.
Çalışmanın Amacı
- Biyomürekepler ve destek matrisleri için üretim yöntemlerini keşfetmek.
- Özelleştirilmiş biyomürekepler kullanarak biyobaskı sürecini göstermek.
- Baskı yapılan yapıların mekanik özelliklerini ve canlılığını değerlendirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Biyomürekeplerin özelliklerini değerlendirmek için reometri.
- Enjekte edilebilirliği belirlemek için viskometri profilleri.
- Jel oluşturma özelliklerini değerlendirmek için osilatör testler.
- Biyobaskı yapılan yapıları tasarlamak için CAD modelleme.
Ana Sonuçlar
- Baskı yapılan yapıların çözünürlüğü, ekstrüzyon basıncını ayarlayarak ayarlanabilirdi.
- Farklı biyomürekeplerin bileşimlerini değiştirerek gradyan mekanik özellikler elde edildi.
- Kültür süresi boyunca yüksek hücre canlılığı korunmuştu.
- Malzemeler zamanla yeniden şekillendirme özellikleri gösterdi.
Sonuçlar
- Kesme işlemi, biyobaskı için uygun biyomürekepler oluşturmak için etkilidir.
- Doğru yükleme ve çapraz bağlanma, tekrarlanabilir sonuçlar için kritiktir.
- Doku yapılarının uzun süreli kültürü, hücresel tepkileri uyarmaya açığa çıkarabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Suspended 3D bioprinting using agarose fluid gels formed by shear processing enables the fabrication of complex, high-resolution tissue constructs from low-viscosity bioinks. This approach addresses a key challenge in bioprinting by providing a tunable, supportive matrix that maintains construct fidelity and allows integration of multiple bioinks for region-specific properties. The method enhances predictive confidence in early-stage tissue engineering and supports portfolio advancement by enabling reproducible, scalable workflows for advanced biomaterial development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates interrogation of bioink compatibility and mechanical property gradients in engineered tissues.
- Enables functional validation of support matrices for complex construct formation.
- Supports predictive confidence in material selection and construct design for downstream applications.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, reproducible support beds for high-resolution bioprinting workflows.
- Standardizes rheological and viscometric assessment of bioinks for quantitative assay development.
- Enables scalable screening of bioink formulations and construct geometries.
Translational & Preclinical Research
- Supports creation of tissue constructs with region-specific chemical and mechanical properties relevant to disease modeling.
- Enables long-term culture and assessment of cell viability and material remodeling in preclinical models.
- Provides continuity from discovery-stage material validation to translational tissue engineering studies.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling robust hypothesis testing of bioink and support matrix combinations, supporting lead identification and validation of tissue constructs for advanced applications.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven evaluation of bioink performance and construct stability under physiologically relevant conditions.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative rheological and viscometric outputs for bioink and support matrix assessment.
- Analytics: Provides mechanical and structural readouts to compare construct fidelity and material remodeling.
- Translational Research: Aligns with preclinical requirements for tissue construct viability and functional integration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable workflow for rapid prototyping and validation of new bioink formulations and construct designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in construct fidelity and material performance.
- Operational Value: Standardizes bioprinting and rheological assessment for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for bioink and construct development, reducing late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of tissue engineering programs and advanced biomaterial assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rheology, viscometry, and bioprinting instrumentation.
- Demands access to calibrated rheometers, bioprinters, and CAD modeling tools.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation and testing protocols.
- Adaptation may be needed for different bioink chemistries and construct geometries.
- Careful control of cross-linking and support removal is essential for reproducible outcomes.
