عملية جديدة للطباعة 3D ديسيلولاريزيد المصفوفات
Summary
ويصف هذا البروتوكول إنتاج خيوط polycaprolactone (PCL) مع المضمنة polylactic حمض (جيش التحرير الشعبي) الجزئي المجالات الخرز الصغير التي تتضمن مصفوفات ديسيلولاريزيد (ألماني) للطباعة 3D من الأنسجة الهيكلية الهندسية بنيات.
Abstract
بيوبرينتينج 3D يهدف إلى إنشاء مخصص السقالات النشيطة بيولوجيا واستيعاب الحجم المطلوب والهندسة. دعامة حرارية يمكن أن توفر الاستقرار ميكانيكية مشابهة للنسيج الأصلي بينما توفر العوامل البيولوجية العظة التركيبية للخلايا السلف، مما يؤدي إلى الهجرة والانتشار، والتمايز إلى إعادة تشكيل الأنسجة الأصلية/ أجهزة1،2. لسوء الحظ، العديد من متوافق مع 3D الطباعة، البوليمرات بيوريسوربابل (مثل حمض اللبنيك، جيش التحرير الشعبي الصيني) المطبوع في درجات حرارة 210 درجة مئوية أو أعلى–درجات الحرارة التي تضر بالبيولوجي. من ناحية أخرى، هو polycaprolactone (PCL)، نوع مختلف من البوليستر، بيوريسوربابل، ومواد للطباعة ثلاثية الأبعاد يحتوي على درجة حرارة طباعة الطف من 65 درجة مئوية. ولذلك، كان الافتراض بأنه المصفوفة خارج الخلية ديسيلولاريزيد (ألماني) الواردة ضمن حاجز جيش التحرير الشعبي الصيني حرارياً وقائي يمكن أن تكون طباعة داخل الشعيرة PCL والبقاء في أن تكيف وظيفي. في هذا العمل، كان إصلاح osteochondral التطبيق التي تم اختبار الفرضية. على هذا النحو، كان ديسيلولاريزيد الغضاريف الخنزير ومغلفة في polylactic حمض (جيش التحرير الشعبي) الجزئي المجالات الخرز الصغير الذي كان مقذوف ثم مع polycaprolactone (PCL) في خيوط لإنتاج 3D بنيات عبر تنصهر فيها ترسب النمذجة. بنيات مع أو بدون الجزئي المجالات الخرز الصغير (PCL/جيش التحرير الشعبي الصيني-مارك ألماني و PCL(-)، على التوالي) تم تقييم الفروق في السمات السطحية.
Introduction
استخدام التقنيات الهندسية الأنسجة الحالية للتطبيقات السريرية مثل إعادة بناء العظام والغضاريف والاوتار والرباط السيارات–واللوجرافتس لإصلاح الأنسجة التالفة. كل من هذه التقنيات هو يؤديها بشكل روتيني ك “معيار الذهبي” في الممارسة السريرية أول حصاد الأنسجة المانحة سواء من المريض أو تطابق المأخوذة، وثم وضع الأنسجة المانحين إلى عيب الموقع2. ومع ذلك، تقتصر هذه الاستراتيجيات المانحة الموقع الاعتلال، ندرة موقع المانحة لعيوب كبيرة، خطر العدوى، وصعوبة العثور على الطعوم التي تطابق هندسة المرجوة. وباﻹضافة إلى ذلك، وقد أظهرت الدراسات أن اللوجرافتس المستخدمة لإعادة الإعمار قد خفضت الخصائص الميكانيكية والبيولوجية بالمقارنة مع الأنسجة الأصلية3. هذه الاعتبارات في الحسبان، ومهندسو الأنسجة تحولت مؤخرا إلى بيوبرينتينج (ثلاثي الأبعاد) الأبعاد الثلاثة لإنتاج الهندسات مخصصة، ومجمع النشيطة بيولوجيا ومصممة لاستيعاب حجم الخلل والشكل مع توفير كافية خصائص ميكانيكية حتى اكتمال إعادة عرض البيولوجية.
ومن الناحية المثالية، سيتألف سقالة طباعة 3D دعامة البوليمرية يمكن الاحتفاظ باستقرار الميكانيكية المطلوبة من الأنسجة الأصلية بينما تقدم البيولوجي إدراج الإشارات البيوكيميائية المحيطة بالخلايا، مما يؤدي إلى الهجرة، الانتشار، التمايز، والأنسجة إنتاج2،5. ولسوء الحظ، تتم معظم بنيات التي تحتوي على المكونات البيولوجية مع المواد الهلامية أو البوليمرات التي أضعف من أن يصمد في فيفو القوات تتعرض الأنسجة المستهدفة لإعمار السيارات/allograft. البوليمرات الأخرى مثل حمض اللبنيك (جيش التحرير الشعبي) هي بيوريسوربابل، 3D للطباعة وهيكليا الصوت، ولكن يتم طباعتها في درجات الحرارة عند أو فوق 210 درجة مئوية–مما يجعل من المستحيل البيولوجي أن المطبوع المشترك أثناء التصنيع. Polycaprolactone (PCL) هو آخر مسح إدارة الأغذية والعقاقير، بيوريسوربابل البوليمر يمكن أن 3D مطبوعة في درجة حرارة أقل (65 درجة مئوية)، التي أصبحت شعبية متزايدة في اختﻻق يزرع المريض على حدة مع مجمع مورفولوجيس5،6 7، ،،من89. بيد أن معظم بيوبرينتيرس باستخدام هوائي التكنولوجيا تجعل من المستحيل على طباعة PCL عند درجات حرارة منخفضة حيث يمكن أن تظل الأنشطة البيولوجية سالمين. حتى الآن، على إدماج هذه البوليمرات مع السيارات/اللوجرافتس مادة بيولوجية قابلة لطباعة رواية لم يتحقق. في غياب مثل هذه المواد، من المستبعد نهجاً صحيحاً أنسجة المهندسة لإعادة بناء الأنسجة. ولذلك، قد سعت إلى الجمع بين جيش التحرير الشعبي الصيني، PCL، وديسيلولاريزيد مصفوفات allograft (مارك ألماني) الاستفادة من مزايا كل المواد لصنع بنية سليمة قادرة على إعادة بناء الأنسجة المعقدة. هذه العملية ستوفر القوة الميكانيكية الأولية اللازمة لمقاومة القوات في فيفو والثبات الحراري لاستيعاب التصنيع المضافة في بنية الحث على تشكيل النسيج المطلوب.
في محاولة الأخيرة لمعالجة العقبات السالفة الذكر، واظهرنا أنه من الممكن لتغليف الغضروف ديسيلولاريزيد المصفوفة خارج الخلية داخل حاجز جيش التحرير الشعبي الصيني حرارياً واقية التي يمكن مقذوف داخل خيوط PCL، الحفاظ على قدرة مارك ألماني للتأثير على الخلايا المضيفة المحيطة بها2. هذا وقد الهمتنا التماس نهج فعالة سريرياً لإعادة بناء الأنسجة. في الدراسة الحالية، ويمكننا الاستفادة من التكنولوجيا منصة لبناء السقالات الكل في واحد التي تشمل جيش التحرير الشعبي الصيني، مارك ألماني، و PCL (PCL/جيش التحرير الشعبي الصيني-مارك ألماني).
أن هدفنا تحسين الفعالية والفائدة من اللوجرافتس باستخدام تقنية بيوفابريكيشن الجديدة المقترحة أن الخص أدق الأنسجة الأصلية، وفي النهاية استخدامها في مختلف التطبيقات.
Protocol
Representative Results
Discussion
كلا ديسيلولاريزيد المصفوفات وأظهرت 3D السقالات PCL المطبوعة بشكل مستقل للسماح بإصلاح التصاق وتكاثر الخلايا، والتحقق من استخدامها ل osteochondral10،،من1112. استخدام مصفوفة ديسيلولاريزيد في النهج الهندسية لإصلاح الأنسجة كان موضوعا للكثير من الاهت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا المشروع جزئيا بمنحه من طب تقويم العظام المجتمع من أمريكا الشمالية (بوسنا) و “المعاهد الوطنية للصحة” منح نيبيب R21EB025378-01 (منحة بحثية الهندسة الحيوية الاستكشافية).
Materials
| Sieve machine | Haver & Boecker Tyler | Ro-Tap RX 29-E Pure | |
| Sieve 90 um | Fisherbrand | 170328156 | No. 170 |
| Sieve 53 um | Fisherbrand | 162513588 | No. 270 |
| Sieve 106 um | Fisherbrand | 162018121 | No. 140 |
| Sputter coater | Leica | n/a | |
| Scanning Electron Microscope | Hitachi, USA | n/a | |
| Filabot EX2 | Filabot.com | FB00061 | |
| Filabot Spooler | Filabot.com | FB00073 | |
| CAPA 6506 | Perstorp | 24980-41-4 | |
| Phosphate buffered saline, PBS | Gibco | 10010023 | |
| 6" Fan | Comfort Zone, Amazon | n/a | |
| Ultrasonic Water Bath | Cole Parmer | SK-08895-13 | |
| Dreamer | FlashForge | n/a | |
| Drum Mixer | Custom made | n/a | Similar piece of equipment: https://www.coleparmer.com/i/argos-technologies-flexiroll-digital-tube-roller-shaker-120-vac/0439744?PubID=UX&persist=true&ip= no&gclid=CjwKCAjw- dXaBRAEEiwAbwCi5khGDMz0 dTjsraEsBGfhMEH7ytx LQWGUPNgUJYQ1p3vj_yxkYoI_ ixoC9GwQAvD_BwE |
| Micro Balance | Mettler Toledo, Fisher Scientific | 01-913-851 | |
| Simplify3D | Simplify3D | n/a | |
| SolidWorks | SolidWorks | n/a | |
| Microspheres | Produced in-house, see concurrently submitted JoVE submission | ||
| p-nitrophenyl phosphate, disodium salt, hexahydrate | Millipore | 4876-5GM | |
| Phosphatase, alkaline | Roche Diagnostics GmbH | 10 713 023 001 | |
| Absorbance Reader | Tecan | Sunrise | |
| Tris-HCl Buffer | Sigma-Aldrich | T6455-100ML | |
| Heated shaker | New Brunswick Scientific | Excella E24 |
References
- Hutchmaker, D., Teoh, S., Zein, I., Ng, K. W., Schantz, J. -. T., Leahy, J. C. Design and Fabrication of a 3D Scaffold for Tissue Engineering Bone. Synthetic Bioabsorbable Polymers and Implants. 15 (2), 845-847 (1988).
- Ghosh, P., Gruber, S. M. S., Lin, C. -. Y., Whitlock, P. Microspheres containing decellularized cartilage induce chondrogenesis and remain functional after incorporation within a poly(caprolactone) filament useful for fabricating a 3D scaffold. Biofabrication. , (2018).
- Partington, L., et al. Biochemical changes caused by decellularization may compromise mechanical integrity of tracheal scaffolds. Acta Biomaterialia. 9 (2), 5251-5261 (2013).
- Hutmacher, D. W. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials. 21 (24), 2529-2543 (2000).
- Kang, H., Hollister, S. J., La Marca, F., Park, P., Lin, C. -. Y. Porous biodegradable lumbar interbody fusion cage design and fabrication using integrated global-local topology optimization with laser sintering. Journal of biomechanical engineering. 135 (10), 101013-101018 (2013).
- Kang, H., Lin, C. Y., Hollister, S. J. Topology optimization of three dimensional tissue engineering scaffold architectures for prescribed bulk modulus and diffusivity. Structural and Multidisciplinary Optimization. 42 (4), 633-644 (2010).
- Lin, C. -. Y., et al. Functional bone engineering using ex vivo. gene therapy and topology-optimized, biodegradable polymer composite scaffolds. Tissue Engineering. 11 (9-10), 1589-1598 (2005).
- Lin, C. -. Y., Hsiao, C. -. C., Chen, P. -. Q., Hollister, S. J. Interbody Fusion Cage Design Using Integrated Global Layout and Local Microstructure Topology Optimization. Spine. 29 (16), 1747-1754 (2004).
- Zopf, D., Hollister, S., Nelson, M., Ohye, R., Green, G. Bioresorbable Airway Splint Created with a Three-Dimensional Printer. New England Journal of Medicine. 368 (21), 2043-2045 (2013).
- Pati, F., Song, T. H., Rijal, G., Jang, J., Kim, S. W., Cho, D. W. Ornamenting 3D printed scaffolds with cell-laid extracellular matrix for bone tissue regeneration. Biomaterials. 37, 230-241 (2015).
- Zhang, W., et al. The effect of interface microstructure on interfacial shear strength for osteochondral scaffolds based on biomimetic design and 3D printing. Materials Science and Engineering C. 46, 10-15 (2015).
- Williams, J. M., et al. tissue engineering using polycaprolactone scaffolds fabricated via. selective laser sintering. Biomaterials. 26 (23), 4817-4827 (2005).
- Monibi, F. A., Cook, J. L. Tissue-Derived Extracellular Matrix Bioscaffolds: Emerging Applications in Cartilage and Meniscus Repair. Tissue Engineering Part B: Reviews. , (2017).
- Wiles, K., Fishman, J., Coppi, P., Birchall, M. The Host Immune Response to Tissue-Engineered Organs: Current Problems and Future Directions. Tissue Engineering Part B: Reviews. 22 (3), (2016).
- Sutherland, A. J., Detamore, M. S. Bioactive Microsphere-Based Scaffolds Containing Decellularized Cartilage. Macromolecular Bioscience. , (2015).
- Whitlock, P. W., Smith, T. L., Poehling, G. G., Shilt, J. S., Van Dyke, M. A naturally derived, cytocompatible, and architecturally optimized scaffold for tendon and ligament regeneration. Biomaterials. , (2007).
- Whitlock, P. W., et al. Effect of cyclic strain on tensile properties of a naturally derived, decellularized tendon scaffold seeded with allogeneic tenocytes and associated messenger RNA expression. Journal of surgical orthopaedic advances. 22 (3), 224-232 (2013).
- Whitlock, P. W., et al. A novel process for optimizing musculoskeletal allograft tissue to improve safety, ultrastructural properties, and cell infiltration. Journal of Bone and Joint Surgery – Series A. 94 (16), 1458-1467 (2012).
- Schultz, G. S., Davidson, J. M., Kirsner, R. S., Herman, I. M. Dynamic Reciprocity in the Wound Microenvironment. Wound Repair Regeneration. 19 (2), 134-148 (2012).
- Benders, K. E. M., van Weeren, P. R., Badylak, S. F., Saris, D. B. F., Dhert, W. J. A., Malda, J. Extracellular matrix scaffolds for cartilage and bone regeneration. Trends in Biotechnology. 31 (3), 169-176 (2013).
- Crapo, P., Gilbert, T., Badylak, S. An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials. 32 (12), 3233-3243 (2011).
- Guan, Y., et al. Porcine kidneys as a source of ECM scaffold for kidney regeneration. Materials Science and Engineering C. 56, 451-456 (2015).
- Dean, R. L. Kinetic studies with alkaline phosphatase in the presence and absence of inhibitors and divalent cations. Biochemistry and Molecular Biology Education. 30 (6), 401-407 (2002).
