Viabilité de Bioprinted cellulaires constructions Utilisation d'une imprimante cartésienne Distributeur Trois

Summary

A Cartesian bioprinter was designed and fabricated to allow multi-material deposition in precise, reproducible geometries, while also allowing control of environmental factors. Utilizing the three-dimensional bioprinter, complex and viable constructs may be printed and easily reproduced.

Abstract

Tissue engineering has centralized its focus on the construction of replacements for non-functional or damaged tissue. The utilization of three-dimensional bioprinting in tissue engineering has generated new methods for the printing of cells and matrix to fabricate biomimetic tissue constructs. The solid freeform fabrication (SFF) method developed for three-dimensional bioprinting uses an additive manufacturing approach by depositing droplets of cells and hydrogels in a layer-by-layer fashion. Bioprinting fabrication is dependent on the specific placement of biological materials into three-dimensional architectures, and the printed constructs should closely mimic the complex organization of cells and extracellular matrices in native tissue. This paper highlights the use of the Palmetto Printer, a Cartesian bioprinter, as well as the process of producing spatially organized, viable constructs while simultaneously allowing control of environmental factors. This methodology utilizes computer-aided design and computer-aided manufacturing to produce these specific and complex geometries. Finally, this approach allows for the reproducible production of fabricated constructs optimized by controllable printing parameters.

Introduction

L'ingénierie tissulaire utilise les principes de la biologie et de l'ingénierie dans le développement de substituts fonctionnels pour maintenir, restaurer ou améliorer tissu natif et. La capacité de générer des constructions biomimétiques en trois dimensions à la demande serait de faciliter les progrès scientifiques et technologiques dans l'ingénierie tissulaire, ainsi que dans les capteurs à base de cellules, médicaments / dépistage de la toxicité, modèles de tissus ou une tumeur, et d'autres. L'organisation tridimensionnelle des constructions de génie tissulaire est une composante fondamentale de la méthode de fabrication, car il doit étroitement imiter l'interaction hautement organisé des cellules et la matrice extracellulaire dans le tissu natif.

Échafaudages biodégradables en trois dimensions et la forme de formation sont des facteurs critiques dans la génération de nouvelles constructions de tissu parce que les cellules migrent pour former une couche à deux dimensions de cellules, mais pas la capacité de croître en trois dimensions désirée. L'échafaudage sert de base temporaire pour cellulairel'attachement et la prolifération, de sorte qu'il doit être construit à partir de matériaux à porosité et la biodégradabilité contrôlable et integrit mécanique suffisante. Les matériaux d'échafaudage ne doivent pas être cytotoxiques ou une réponse indésirable créer à partir de l'hôte. Les hydrogels ont été couramment utilisé dans les techniques d'ingénierie tissulaire, et en raison de leur caractère hydrophile, les hydrogels permettre l'échange de fluide et de gaz à travers le structur. En combinant différents hydrogels, les propriétés de l'hydrogel synthétisé sont modifiables à répondre à l'exigence d'application distincte.

L'approche de l'ingénierie tissulaire classique implique la création d'échafaudages sacrificielles poreuses acellulaire qui sont ensemencés avec des cellules post-fabricatio. De nombreuses techniques ont été employées, telles que le collage de la fibre, coulée au solvant, moulage et faire fondre, mais avérée peu efficace pour les applications d'ingénierie tissulaire. Des méthodes de liaison des fibres des fibres permettent à être alignés dans des formes spécifiques, mais ils ne sont capables de production échafaudage très mince. Méthodes de coulée de solvant produites constructions très poreuses, cependant la membrane plus grand produit était seulement 3 mm thic. Par conséquent, la création de constructions à trois dimensions est impossible en utilisant ces techniques. Techniques de moulage par fusion prouvé réussi à produire des échafaudages tridimensionnels, mais de telles températures élevées sont nécessaires que les matériaux biologiques ne peuvent être incorporés pendant le procès de production. Les échafaudages ensemencés post-fabrication sont limitées dans leur capacité à répondre aux exigences de l'ingénierie tissulaire pour produire des échafaudages tridimensionnels avec microstructures prédéfinis ou contrôlables et. Un autre problème majeur avec les technologies échafaudage de semis solides est l'insuffisance de vascularisation et une mauvaise mécanique.

Bioprinting a depuis été étendue à trois dimensions à l'aide de gels, non toxiques, biodégradables thermo-réversible à remédier aux inconvénients de classique. Quelques-uns du solide freeform fabrication techniques actuellement employées sont bioprinting impression jet d'encre et laser assistée. Techniques de bioprinting assistée par laser utilisent une source laser pulsée, une plaque de cible, et un substrat de réception afin de générer trois dimensions. Cependant, cette technique est limitée en raison du faible débit, la faible viabilité des cellules, et ne peut que produire régime limité de structures fabriquées car seuls photoréticulables prépolymères peuvent être utilisés pour former un hydrogel réticulé. Impression jet d'encre a été développé comme une méthode non-contact qui reproduit les données d'images numériques sur un substrat par dépôt d'encre picolitres. Toutefois, l'impression à jet d'encre ne produit pas une haute résolution construction, construit expérience rapide dénaturation des protéines, et la plupart des cellules sont lysées pendant le dépôt.

Actuellement, de nouvelles méthodes de fabrication de bioprinting additif ont été développés. Dans ces systèmes, des cellules, des protéines, des facteurs de croissance, et biomimétiques hydrogels sont généralement intégrés dans la matrice-mèreEIAA au cours du processus de fabrication et en même temps déposé utilisation de servomoteurs commandés par ordinateur pour générer des constructions cellulaires chargé base échafaudage en trois dimensions qui imitent la microarchitecture du natif. Les hydrogels chargés de cellules constituent le bioink, qui peut être hétérogène, constitué de plusieurs types de cellules ou homogène. Systèmes de fabrication additive dépôt bioink goutte-à-goutte ou de la couche par couche par l'intermédiaire de seringues et embouts jetables sur une scène capable de se déplacer dans les x, y et z contrôlé par ordinateur. Grâce à un logiciel informatique, l'architecture d'échafaudages imprimés peut être facilement manipulé en fonction des besoins de l'application. Contrairement aux techniques classiques, les technologies médicales tridimensionnelles (imagerie par résonance magnétique, tomographie par ordinateur) peuvent être incorporés dans les dessins, générant construction spécifique au patient. Ces méthodes permettent également la possibilité de produire des constructions en raison des remplacements vascularisés sont produites avec un l ultérieuredensité cellulaire Ocal, permettant des interactions cellule-cellule et l'amélioration de la probabilité de post-implantation Surviva.

L'imprimante Palmetto est un système multi-distributeur en trois dimensions sur mesure qui utilise des méthodes de fabrication de robots programmables pour générer constructions de tissu hétérogènes tridimensionnels (Figure 1). Il permet l'utilisation d'une pluralité de matériaux dans des combinaisons uniques de réaliser des structures hétérogènes. L'initialisation de la bioprinter est l'une des étapes les plus importantes dans bioprinting car il vous permet de définir une série de paramètres pour optimiser l'imprimabilité des constructions bioprinted.

Le bioprinter comprend un procédé de type discontinu avec démarrage, fonctionnement séquences d'arrêt et contrôlées par un contrôleur logique programmable (PLC), que l'utilisateur opère par le biais d'un panneau de commande à écran tactile interactif (figure 1, A). Pour éviter la contamination des biomatériaux logiques du bioprinter est enfermé dans un poly-pression positive (méthacrylate de méthyle) (PMMA) chambre avec un arrestance de particules à haute efficacité (HEPA) -filtered système de circulation d'air (Figure 1, B, C). L'intérieur de l'imprimante peut être stérilisé en utilisant des sources de lumière ultraviolette intégrées (Figure 1, D). La composante centrale de la bioprinter est un robot de positionnement entièrement programmable qui peut reproductible placer un embout de distribution avec une précision de 10 microns (Figure 1, E). Il existe trois distributeurs qui sont capables de déposer des volumes aussi petits que 230 nl aide d'une vis rotative (Figure 1, F). Ils sont indépendamment programmable à l'aide des ordinateurs distincts qui régissent les paramètres d'impression pour chaque distributeur (figure 1, G). Rotary-vis de distribution utilise la rotation d'une vis motorisé pour se déplacer vers le bas bioink une seringue et sur l'embout de la seringue. Ces distributeurs sont montés sur un pneumatiqueOutil Nest ment contrôlée (figure 2A, B), ce qui permet au robot de passer distributeur monté sur le bras robotisé de l'axe Z sous contrôle programmé (Figure 1, H).

Le robot XYZ reçoit des instructions d'impression à partir d'un logiciel de conception ordinateur exécutant (Figure 1, I). Chaque programme contient les emplacements de distribution, les routines de calibrage, et des protocoles de distribution changeante. La conception de constructions générées compose essentiellement de la coordonnées XYZ où chaque distributeur se déposer de la matière. Le bioprinter comprend deux capteurs de lumière optiques (figure 2C) qui déterminent les coordonnées XYZ de l'extrémité de pointe de la seringue. Ces capteurs envoient des informations de coordonnées de robot, qui les utilise pour calculer les positions des extrémités de pointe de distribution. Il est un laser de déplacement supplémentaire (figure 2D) qui projette un 633 nm diode rouge faisceau laser de la taille du spot 30 x 100 micromètres pour mesurer la distance avec un accuracy de 0,1 micromètre. Lorsque le faisceau est fortement axé le robot détermine la distance en Z de la surface d'impression. Cette mesure, et l'optique de mesure de l'extrémité de pointe en Z des capteurs de lumière, permet le calcul de Z coordonnées exactes utilisé pour placer la pointe du distributeur par rapport à la surface d'impression. Les pointes de distribution se déplacent latéralement et verticalement à travers le capteur de lumière optique X-axe orienté de trouver les centres Y et Z, et latéralement à travers un capteur d'axe Y pour trouver le centre de l'axe-X. La surface d'impression est mappé en utilisant la formule pour une surface plane dans l'espace xyz: ax + by + cz = D pour déterminer où la surface est par rapport à la position de l'extrémité de la pointe de distribution. L'étape d'impression (Figure 1, J) occupe une boîte de Petri de l'échantillon de 80 mm de diamètre et utilise un bain d'eau de remise en circulation pour maintenir la température de consigne (Figure 1, K). Température de l'étage peut être réglée dans une plage de -20 et reste stable au sein. Il ya une caméra USB montésur le robot à bras en Z pour fournir une vue agrandie de l'embout de distribution au cours du processus d'impression (Figure 1, L). Il y a une seconde caméra montée vers le haut de l'intérieur de la chambre qui fournit une représentation complète de la bioprinter pendant le processus d'impression (figure 1, L).

Un logiciel de dessin de conception assistée par ordinateur détermine le motif de dépôt et permet à l'utilisateur de générer des gouttelettes espacées de façon incrémentielle et des structures complexes (figure 3). Voies en trois dimensions peuvent être codées manuellement dans le logiciel de conception imprimante compatible ou importées à partir d'un logiciel séparé assistée par ordinateur dessin de conception (figure 4, tableau 1). Le logiciel d'impression compatible permet variations des paramètres d'impression tels que le procédé de dépôt (dépôt de gouttelettes unique ou dépôt en continu de la voie), de la géométrie en trois dimensions des voies, la vitesse de dépôt, la distance entre l'extrémité d'embout de seringue et substTaux surface d'impression, la quantité de temps pour déposer une goutte individuelle, et la hauteur et la vitesse de la seringue est levée entre le dépôt des gouttes. Chaque programme contient XYZ lieux de distribution, les routines de calibrage de pointe, et des protocoles de distribution changeante de fournir un environnement stérile, sans intervention de l'opérateur, lors de l'impression. Le contrôleur logique programmable (PLC) du robot reçoit des instructions de l'ordinateur exécutant le logiciel de conception et de contrôle le calendrier des événements à partir des contrôleurs externes (par exemple, les distributeurs). Pour ce faire, l'automate utilise un mécanisme de bouclage pour contrôler les distributeurs , dispositif de positionnement robotique, et les facteurs environnementaux.

Trois dimensions bioprinting écriture directe utilisant un système de distribution de liquide rotatif-vis permet le processus de dépôt de cellules pour être plus efficace, plus précis et plus facile que les méthodes précédentes. Cette étude montre l'bioprinter construit sur mesure est capable de générer des CEhydrogel constructions de LL-chargé avec la viabilité cellulaire élevée.

Protocol

1. Préparation de gélatine substrat contenant pour Three-Dimensional Bioprinting d'alginate hydrogels Préparer le substrat calcium / gélatine selon la méthode de substrat calcium / gélatine décrite par Pataky et al 11 pour éviter viabilité réduite associée à une teneur élevée. La méthode de substrat calcium / gélatine est listé ci-dessous. Moissonneuse chlorure de calcium dihydraté (1,5% en poids), du chlorure de sodium (0,9% en poids), et de la gélatine por…

Representative Results

Les résultats démontrent la bioprinter est capable de déposer des cellules hydrogels chargés dans des emplacements spécifiques en trois dimensions précise et cohérente en utilisant le logiciel assisté par ordinateur. Ces logiciels de déterminer l'emplacement de chaque gouttelette et le contrôle de nombreux paramètres de distribution (figure 3,4). La répétabilité de la bioprinter à déposer de manière appropriée biomatériaux est essentielle à sa réussite dans les applications d&#3…

Discussion

L'objectif principal de l'ingénierie tissulaire est de combler le fossé entre la pénurie d'organes et les besoins de transplantation en développant des substituts biologiques capables de restaurer, maintenir ou améliorer functio de tissu natif. Cela a conduit à la fabrication directe d'échafaudages avec un complexe, géométrie externe anatomiquement correcte, et un contrôle précis sur la geometr interne. Bioprinting en trois dimensions est une méthode utilisée pour générer des constructions…

Materials

Positioning Robot (JR2000 XYZ)	Janome
Dispensers: SDAV Linear Drive SmartDispensers	Fishman Corporation
Optical Light Sensors:	Keyensce
Displacement Laser: OD Mini	SICK
Recirculating Water Bath: Polystat	Cole-Parmer	EW-12122-02
USB Cameras: Dino-Lite Premier 5MP	AnMo Electrionics/YSC Technologies	AD7013MT
Printer-Compatible Computer Design Software: JR-C Points	Janome		Comes with purchase of Janome Robot
Computer-Aided Design Drawing Software: Visual PathBuilder	RatioServ		Can be downloaded at: www.ratioserv.com/index.php/downloads
Printer 3 cc Syringes:	Fishman Corporation	122051
22 G Dispenser Tips	Fishman Corporation	Z520122
Calcium Chloride Dihydrate	Sigma-Aldrich	10035-04-8
Sodium Chloride	Sigma-Aldrich	7647-14-5
Porcine Gelatin	Sigma-Aldrich	9000-70-8
Titanium Dioxide	Sigma-Aldrich	13462-67-7
Protanal LF 20/40 Alginate (Sodium Alginate)	FMC BioPolymer	9005-38-3
Hydrochloric Acid	Sigma-Aldrich	7647-01-0
Ethylene Glycol	Mallinckrodt Baker, Inc	9300-01
Sodium Periodate	Sigma-Aldrich	7790-28-5
hADSC	Lonza	PT-5006	Store in vials in liquid nitrogen until use.
Dulbecco's Modified Eagle's Medium	Gibco Life Technologies	11965-092	Warm in 37°C water before use.
Trypsin/EDTA	Lonza	CC-5012	Warm in 37°C water before use.
Calcein AM	Gibco Life Technologies	C3100MP	Store in the dark at -80°C until use.
Live/Dead Mammalian Viability Assay Kit	Invitrogen Life Technologies	L-3224	Store in the dark at -80°C until use.
MES Hydrate	Sigma-Aldrich	M2933
N-Hydroxysuccinimide	Sigma-Aldrich	130672
1-ethyl-(dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)	Sigma-Aldrich	E1769	10 G
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline, +Calcium, +Magnesium	Life Technologies	14040133	Warm in 37°C water before use.
Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline, -Calcium, -Magnesium	Life Technologies	14190144	Warm in 37°C water before use.
RGD Peptides	International Peptides
Alexa Fluor 546 Phalloidin Stain	Invitrogen Life Technologies	A22283	Store at -20°C until use
(4’, 6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) (DAPI) Stain	Life Technologies	R37606	Store at -20°C until use