Neuartiges Verfahren für den 3D-Druck Decellularized Matrizen
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung von Polycaprolactons (PCL) Filament mit eingebetteten Polymilchsäure (PLA) Säure Mikrosphären die decellularized Matrizen (DM) für den 3D-Druck von strukturellen Gewebetechnik Konstrukte enthalten.
Abstract
3D Bioprinting zielt darauf ab, eigene Gerüste zu schaffen, die sind biologisch aktiv und Platz für die gewünschte Größe und Geometrie. Ein thermoplastischer Backbone kann mechanischen Stabilität ähnlich wie bei nativen Gewebe bereitzustellen, während biologische Agenten kompositorischen Signale zu Vorläuferzellen, bieten ihre Migration, Proliferation und Differenzierung, das ursprüngliche Gewebe wiederherzustellen / Organe,1,2. Leider sind viele 3D Druck kompatibel, resorbierbaren Polymeren (z. B. Polymilchsäure PLA) gedruckten bei einer Temperatur von 210 ° C oder höher – Temperaturen, sind schädlich für Biologics. Auf der anderen Seite ist Polycaprolactons (PCL), eine andere Art von Polyester, eine bioresorbierbare, 3D druckbare Material, das eine sanftere Druck Temperatur von 65 ° C. Es wurde daher vermutet, dass decellularized extrazelluläre Matrix (DM) enthaltenen thermisch Schutzwall PLA konnte innerhalb von PCL Filament gedruckt werden und bleiben in seine funktionelle Konformation. In dieser Arbeit war osteochondrale Reparatur der Anwendung, für die die Hypothese getestet wurde. Als solche war porcinen Knorpel decellularized und gekapselt in sauren Polymilchsäure (PLA) Mikrosphären, die dann mit Polycaprolactons (PCL) extrudiert wurden in Filament, 3D Konstrukte über fused Deposition Modellierung zu produzieren. Die Konstrukte mit oder ohne die Mikrosphären (PLA-DM/PCL und PCL(-), beziehungsweise) wurden für unterschiedliche Oberflächeneigenschaften ausgewertet.
Introduction
Aktuelle Gewebe-engineering-Techniken für klinische Anwendungen wie Knochen, Knorpel, Sehnen und Bänder Wiederaufbau verwenden Sie Auto und Allografts, um geschädigtes Gewebe zu reparieren. Jede dieser Techniken wird routinemäßig als “Goldstandard” in der klinischen Praxis durchgeführt, indem zuerst Ernte Spendergewebe entweder der Patient oder ein cadaveric Spiel, und dann das Spendergewebe in den defekt Seite2. Allerdings sind diese Strategien durch Spender Website Morbidität, Spender Website Knappheit für große Mängel, Risiko von Infektionen und Schwierigkeiten, die Transplantate, die die gewünschte Geometrie entsprechen begrenzt. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Allografts verwendet für den Wiederaufbau mechanische und biologische Eigenschaften im Vergleich zu nativen Gewebe3reduziert haben. Mit diesen Überlegungen im Auge Gewebe-Ingenieure vor kurzem wandte sich an drei dreidimensionale (3D) Bioprinting, kundenspezifische, komplexe Geometrien herzustellen, die sind biologisch aktiv und entwickelt, um die Defekt-Größe und Form und bietet ausreichend Platz für mechanischen Eigenschaften bis biologischen Umbau abgeschlossen ist.
Im Idealfall bestünde ein 3D-gedruckten Gerüst aus Polymeren Rückgrat, die die erforderliche mechanische Stabilität des nativen Gewebe behalten können, während die eingearbeiteten Biologics biochemische Signale bieten zu umgebenden Zellen, was zu ihrer Migration, Verbreitung, Differenzierung und Gewebe Produktion2,5. Leider sind die meisten Konstrukte, die biologische Komponenten enthalten gemacht mit Gels oder Polymeren zu schwach, um in Vivo erlebt durch die gezielte Gewebe für Auto/Allograft Wiederaufbau standhalten. Andere Polymere wie Polymilchsäure (PLA) sind bioresorbierbare, 3D druckbare und strukturell klingen, aber sind bei Temperaturen bei oder über 210 ° C – so dass es unmöglich für Biologics Co gedruckten während der Fertigung werden gedruckt. Polycaprolactons (PCL) ist eine andere-FDA-Zulassung, bioresorbierbare Polymer, das 3D bei einer niedrigeren Temperatur (65 ° C), die in der Herstellung von patientenspezifischen Implantaten mit komplexer Morphologien5,6 immer beliebter geworden ist gedruckt werden kann ,7,8,9. Aber machen die meisten Bioprinters, die mit pneumatischer Technologie es unmöglich, PCL bei niedrigeren Temperaturen zu drucken, wo biologische Aktivitäten unverletzt bleiben kann. Bisher hat die Integration dieser Polymere mit Auto/Allografts in neuartigen druckbare Biomaterial noch erreicht werden. In Ermangelung eines solchen Materials ist eine wahre Gewebezüchtungen Herangehensweise an Gewebe Wiederaufbau unwahrscheinlich. Deshalb haben wir versucht, PLA, PCL, kombinieren und decellularized Allograft Matrizen (DM), die Vorteile der einzelnen Materialien zu verwenden, um eine tragfähige Konstruktion in der Lage, komplexe Gewebe zu rekonstruieren herzustellen. Dabei böte die erste mechanische Festigkeit muß widerstehen in Vivo Kräfte und der thermischen Stabilität, additiven Fertigung in einem Konstrukt unterzubringen, die Bildung der gewünschten Gewebe induziert.
In einem letzten Versuch an die oben genannten Hürden haben wir gezeigt, dass ist es möglich, decellularized Knorpel extrazelluläre Matrix innerhalb einer thermisch Schutzbarriere PLA Kapseln, die in PCL Fäden extrudiert werden können Aufrechterhaltung der Fähigkeit des DM, umliegenden Host Zellen2zu beeinflussen. Dies inspirierte uns klinisch wirksame Konzepte für den Wiederaufbau der Gewebe zu suchen. In der aktuellen Studie nutzen wir die Plattformtechnologie zur all-in-One-Gerüste bauen, die PLA, DM und PCL (PLA-DM/PCL) enthalten.
Unser Ziel ist es zur Verbesserung der Wirksamkeit und Nützlichkeit von Allografts mit der vorgeschlagenen Roman Biofabrication Technik, genauer rekapitulieren nativen Gewebe, um sie letztendlich in verschiedenen Anwendungen zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beide decellularized Matrizen und 3D gedruckte PCL Gerüste haben unabhängig voneinander gezeigt worden, um Adhäsion und Proliferation von Zellen, überprüfen ihre Verwendung für osteochondrale10,11,12reparieren lassen. Die Verwendung von decellularized Matrix engineering Ansätze zur Gewebereparatur wurde ein viel Interesse und Erfolg in der jüngsten Vergangenheit2,3</su…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Projekt wurde teilweise finanziert durch einen Zuschuss aus der pädiatrischen orthopädischen Gesellschaft von Nordamerika (POSNA) und die National Institutes of Health NIBIB R21EB025378-01 (explorative Bioengineering Research Grant) zu gewähren.
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 |
Referências
- 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).
