ייצור רקמת סחוס אנושי באמצעות שלושה ממדי הזרקת דיו טכנולוגיית הדפסה
Summary
השיטות מתוארות במאמר זה להראות כיצד להמיר מדפסת הזרקת דיו מסחרית לbioprinter עם פילמור UV בו זמנית. המדפסת מסוגלת בניית מבנה רקמות 3D עם תאים וחומרים ביולוגיים. המחקר הראה כאן נבנה neocartilage 3D.
Abstract
Bioprinting, המבוסס על דיו להדפסה תרמית, הוא אחת הטכנולוגיות המאפשרות לאטרקטיביות ביותר בתחום הנדסת רקמות והרפואה רגנרטיבית. עם תאי בקרה דיגיטלית, פיגומים, וגורמי גדילה ניתן להפקיד דווקא לשני ממדים (2D) הרצוי ומקומות תלת ממדי (3D) במהירות. לכן, טכנולוגיה זו היא גישה אידיאלית לפברק רקמות מחקה המבנים אנטומיים האם שלהם. כדי להנדס סחוס עם ארגון האם של האזורים, הרכב תאי מטריקס (ECM), ותכונות מכאניות, פיתחנו פלטפורמת bioprinting באמצעות מדפסת הזרקת דיו מסחרית עם photopolymerization בו זמנית מסוגל להנדסת רקמות סחוס 3D. כונדרוציטים אנושיים התלויים בפולי diacrylate (אתילן גליקול) (PEGDA) הודפסו לבניית neocartilage 3D באמצעות הרכבה שכבה אחר שכבה. התאים המודפסים היו קבועים בעמדות שהופקדו המקוריות שלהם, נתמך על ידי surrounding פיגום בphotopolymerization בו זמנית. התכונות מכאניות של הרקמה המודפסת היו דומות לסחוס המקורי. בהשוואה לייצור רקמות קונבנציונלית, אשר דורש חשיפה לקרינת UV ארוכה יותר, הכדאיות של התאים המודפסים עם photopolymerization בו זמנית הייתה גבוהה יותר באופן משמעותי. neocartilage המודפס הפגין glycosaminoglycan מצוין (GAG) וייצור קולגן הסוג השני, שעלה בקנה אחד עם ביטוי גנים. לכן, פלטפורמה זו היא אידיאלית לחלוקה מדויקת תא והסדר להנדסת רקמות אנטומיים.
Introduction
Bioprinting מבוסס על הדפסת דיו תרמית הוא אחת הטכנולוגיות המאפשרות המבטיחות ביותר בתחום הנדסת רקמות והרפואה רגנרטיבית. עם ראשי הדפסה בקרה דיגיטלית ותפוקה גבוהה גורמי תאים, פיגומים, וצמיחה ניתן להפקיד דווקא לשני ממדים (2D) הרצוי ועמדות תלת ממדי (3D) במהירות. יישומים מוצלחים רבים כבר הושגו באמצעות טכנולוגיה זו בהנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית 1-9. במאמר זה, פלטפורמת bioprinting הוקמה עם 500 מערכת photopolymerization סימולטני מדפסת שונה היולט פקארד (HP) Deskjet תרמית הזרקת דיו ו. הידרוג סינטטי נוסח מפולי (אתילן גליקול) (PEG) הראו את היכולת של שמירה על הכדאיות הכונדרוציטים ולקדם את ייצור ECM chondrogenic 10,11. בנוסף, PEG photocrosslinkable הוא מסיס מאוד במים עם צמיגות נמוכה, מה שהופך אותו אידיאלי עבור פולימריים בו זמניתrization במהלך bioprinting 3D. במאמר זה, כונדרוציטים אנושיים התלויים בפולי diacrylate (אתילן) גליקול (PEGDA; MW 3,400) הודפסו בדיוק כדי לבנות שכבה אחר שכבת neocartilage עם 1,400 dpi ברזולוציה 3D. הפצה אחידה של תאים שהופקדו בפיגום 3D נצפתה, אשר נוצרה רקמת סחוס עם תכונות מכאניות מעולים וייצור ECM משופר. לעומת זאת, בייצור ידני התאים שהצטברו בחלק התחתון של ג'ל במקום עמדות תחילה הופקדו עקב פילמור פיגום איטי יותר, מה שהוביל להיווצרות סחוס הומוגניות לאחר 2,3 התרבות.
Protocol
Representative Results
Discussion
מערכת bioprinting זה 3D עם קיבולת photopolymerization בו זמנית מספקת רזולוציית הדפסה גבוהה יותר באופן משמעותי מאשר בשיטה שדווחה בעבר הטובה ביותר של בהדפסה באתרו של מומי osteochondral באמצעות מזרק נמתחים הידרוג'ל אלגינט סלולארי 16. רזולוציית הדפסה גבוהה היא קריטית במיוחד עבור …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר את התמיכה מניו יורק אזור קפיטל אליאנס מענק המחקר.
Materials
| HP Deskjet 500 thermal inkjet printer | Hewlett-Packard | C2106a | Discontinued. Purchased refurbished from internet vendor. |
| HP black ink cartridge | Hewlett-Packard | 51626a | |
| Ultraviolet lamp | UVP | B-100AP | |
| UV light meter | General Tools | UV513AB | |
| Zeiss LSM 510 laser scanning microscope | Carl Zeiss | LSM 510 | |
| Dulbeccos Modified Eagles Medium (DMEM) | Mediatech | 10-013 | |
| Penicillin-streptomycin-glutamine (PSG) | Invitrogen | 10378-016 | |
| Accutase cell dissociation reagent | Invitrogen | A11105-01 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Invitrogen | 10010-023 | |
| Live/Dead viability/cytotoxicity Kit | Invitrogen | L-3224 | |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) | Glycosan Biosystems | GS700 | |
| Irgacure 2959 | Ciba Specialty Chemicals | I-2959 | |
| Human articular chondrocytes | Lonza | CC-2550 |
References
- Cui, X., Boland, T. Human microvasculature fabrication using thermal inkjet printing technology. Biomaterials. 30, 6221-6227 (2009).
- Cui, X., Breitenkamp, K., Finn, M. G., Lotz, M., D’Lima, D. D. Direct human cartilage repair using three-dimensional bioprinting technology. Tissue Eng Part A. 18, 1304-1312 (2012).
- Cui, X., Breitenkamp, K., Lotz, M., D’Lima, D. Synergistic action of fibroblast growth factor-2 and transforming growth factor-beta1 enhances bioprinted human neocartilage formation. Biotechnol. Bioeng. 109, 2357-2368 (2012).
- Cui, X., Breitenkamp, K., Finn, M. G., Lotz, M., Colwell, C. W. Direct human cartilage repair using thermal inkjet printing technology. Osteoarthritis and Cartilage. 19, (2011).
- Cui, X., Boland, T. Simultaneous deposition of human microvascular endothelial cells and biomaterials for human microvasculature fabrication using inkjet printing. NIP24/digital Fabrication 2008: 24th International Conference on Digital Printing Technologies, Technical Program and Proceedings. 24, 480-483 (2008).
- Cui, X., Dean, D., Ruggeri, Z. M., Boland, T. Cell damage evaluation of thermal inkjet printed Chinese hamster ovary cells. Biotechnol. Bioeng. 106, 963-969 (2010).
- Cui, X., Hasegawa, A., Lotz, M., D’Lima, D. Structured three-dimensional co-culture of mesenchymal stem cells with meniscus cells promotes meniscal phenotype without hypertrophy. Biotechnol. Bioeng. 109, 2369-2380 (2012).
- Cui, X., Gao, G., Qiu, Y. Accelerated myotube formation using bioprinting technology for biosensor applications. Biotechnol. Lett. 35, 315-321 (2013).
- Cui, X., Boland, T., D’Lima, D. D., Lotz, M. K. Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine. Recent Pat Drug Deliv Formul. 6, 149-155 (2012).
- Bryant, S. J., Anseth, K. S. Hydrogel properties influence ECM production by chondrocytes photoencapsulated in poly(ethylene glycol) hydrogels. Journal of Biomedical Materials Research. 59, 63-72 (2002).
- Elisseeff, J., et al. Photoencapsulation of chondrocytes in poly(ethylene oxide)-based semi-interpenetrating networks. Journal of Biomedical Materials Research. 51, 164-171 (2000).
- Buskirk, W. A., et al. Development of A High-Resolution Thermal Inkjet Printhead. Hewlett-Packard Journal. 39, 55-61 (1988).
- Harmon, J. P., Widder, J. A. Integrating the Printhead Into the HP Deskjet Printer. Hewlett-Packard Journal. 39, 62-66 (1988).
- Kim, T. K., et al. Experimental model for cartilage tissue engineering to regenerate the zonal organization of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 11, 653-664 (2003).
- Sharma, B., et al. Designing zonal organization into tissue-engineered cartilage. Tissue Engineering. 13, 405-414 (2007).
- Cohen, D. L., Lipton, J. I., Bonassar, L. J., Lipson, H. Additive manufacturing for in situ repair of osteochondral defects. Biofabrication. 2, (2010).
