प्रस्तुत विधि तीन आयामी (3 डी) scaffolds (जैसे, दिल वाल्व पत्रक) में इंजीनियरिंग बायोमिमेटिक फाइबर संरचनाओं के लिए एक अभिनव तरीका प्रदान करता है। आकार और आयामों को निर्धारित करने के लिए 3 डी-मुद्रित, प्रवाहकीय ज्यामिति का उपयोग किया गया था। फाइबर अभिविन्यास और विशेषताएं प्रत्येक परत के लिए व्यक्तिगत रूप से समायोज्य थीं। एकाधिक नमूने एक सेटअप में निर्मित किया जा सकता है।
इलेक्ट्रोस्पिनिंग कार्डियोवैस्कुलर ऊतक इंजीनियरिंग में एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीक बन गई है क्योंकि यह समायोज्य गुणों के साथ (सूक्ष्म-) रेशेदार मचान बनाने की संभावना प्रदान करता है। इस अध्ययन का उद्देश्य प्रवाहकीय 3 डी-मुद्रित कलेक्टरों का उपयोग करके मानव हृदय वाल्व पत्रकों की वास्तुशिल्प फाइबर विशेषताओं की नकल करते हुए बहुस्तरीय मचान बनाना था।
महाधमनी वाल्व cusps के मॉडल वाणिज्यिक कंप्यूटर-सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर का उपयोग करके बनाए गए थे। प्रवाहकीय पॉलीलैक्टिक एसिड का उपयोग 3 डी-मुद्रित पत्रक टेम्पलेट्स बनाने के लिए किया गया था। इन cusp नकारात्मक एक विशेष रूप से डिजाइन में एकीकृत किया गया था, घूर्णन electrospinning mandrel. पॉलीयुरेथेन की तीन परतों को कलेक्टर पर काता गया था, जो मानव हृदय वाल्व के फाइबर अभिविन्यास की नकल करता था। सतह और फाइबर संरचना का मूल्यांकन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) के साथ किया गया था। फ्लोरोसेंट डाई के आवेदन ने इसके अलावा बहुस्तरीय फाइबर संरचना के सूक्ष्म विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति दी। Scaffolds के biomechanical गुणों का आकलन करने के लिए तन्यता परीक्षण किया गया था।
इलेक्ट्रोस्पिनिंग रिग के लिए आवश्यक भागों का 3 डी-प्रिंटिंग कम बजट के लिए कम समय में संभव था। इस प्रोटोकॉल के बाद बनाए गए महाधमनी वाल्व cusps तीन स्तरित थे, 4.1 ± 1.6 μm के फाइबर व्यास के साथ। SEM इमेजिंग ने फाइबर के एक समान वितरण का खुलासा किया। प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी ने अलग-अलग संरेखित फाइबर के साथ अलग-अलग परतों का खुलासा किया, जिसमें प्रत्येक परत वांछित फाइबर कॉन्फ़िगरेशन तक पहुंच गई। उत्पादित scaffolds उच्च तन्यता शक्ति दिखाया, विशेष रूप से संरेखण की दिशा के साथ. विभिन्न कलेक्टरों के लिए मुद्रण फ़ाइलें पूरक फ़ाइल 1, पूरक फ़ाइल 2, पूरक फ़ाइल 3, पूरक फ़ाइल 4, और पूरक फ़ाइल 5 के रूप में उपलब्ध हैं।
एक अत्यधिक विशिष्ट सेटअप और वर्कफ़्लो प्रोटोकॉल के साथ, कई परतों पर जटिल फाइबर संरचनाओं के साथ ऊतकों की नकल करना संभव है। 3 डी-मुद्रित कलेक्टरों पर सीधे कताई कम उत्पादन लागत पर 3 डी आकार के निर्माण में काफी लचीलापन पैदा करती है।
कार्डियोवैस्कुलर रोग पश्चिमी देशों में मृत्यु का प्रमुख कारण है। यद्यपि इस क्षेत्र में व्यापक शोध किया जाता है, यह अनुमान लगाया जाता है कि अपक्षयी हृदय वाल्व रोग का बोझअगले वर्षों के दौरान और भी बढ़ जाएगा। सर्जिकल या इंटरवेंशनल हार्ट वाल्व प्रतिस्थापन एक चिकित्सीय विकल्प के रूप में संभव है। इस बिंदु पर, यांत्रिक और बायोप्रोस्थेटिक दिल के वाल्व उपलब्ध हैं, दोनों व्यक्तिगत कमियों के साथ। यांत्रिक वाल्व थ्रोम्बोजेनिक होते हैं और आजीवन एंटीकोएगुलेशन की आवश्यकता होती है। यद्यपि जैविक वाल्वों को एंटीकोगुलेशन की आवश्यकता नहीं होती है, वे रीमॉडलिंग की कमी, कैल्सीफिकेशन की उच्च दर और सहवर्ती गिरावट3 दिखाते हैं।
ऊतक-इंजीनियर दिल वाल्व शरीर में एक माइक्रोफाइब्रोस पाड़ पेश करके इन कमियों को संबोधित करने में सक्षम हो सकते हैं जो विवो रीमॉडलिंग में अनुमति देता है। विभिन्न तरीके, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोस्पिनिंग (ईएसपी), डीसेलुलराइजेशन, माइक्रोमोल्डिंग, स्प्रे, डिप-कोट और 3 डी-बायोप्रिंटिंग, उपलब्ध हैं। इन तरीकों को विशिष्ट गुणों को बनाने के लिए चुना जा सकता है, सस्ता और तेज़ होने के कारण, या केवल विकल्पों की कमी के कारण। विधियों और सामग्रियों को अधिक जटिल संरचनाओं को बनाने के लिए भी जोड़ा जा सकताहै 4। उदाहरण के लिए, ईएसपी ऊतक इंजीनियरिंग में मचान बनाने के लिए एक मानक तकनीक रही है, जो विभिन्न सामग्रियों के संयोजन और फाइबर व्यास, फाइबर अभिविन्यास और पोरोसिटी के समायोजन के लिए अनुमति देतीहै। इसके अलावा, पोस्टप्रोसेसिंग तकनीकों की एक किस्म अनुकूलित ऊतक remodeling के लिए अनुमति देते हैं, बेहतर hemocompatibility, और electrospun scaffolds 5,6,7 के समायोज्य बायोडिग्रेडेशन.
मूल ईएसपी या तो स्थिर या घूर्णन कलेक्टरों का उपयोग करता है, जो फाइबर संरेखण की डिग्री और प्राप्त फाइबर व्यास8 पर सीधा प्रभाव डालता है। विनिर्माण प्रतिबंधों के कारण, क्लासिक ईएसपी घूर्णन कलेक्टरों में घूर्णन ड्रम, डिस्क, तार, या धातु की छड़ें शामिल हैं। 3 डी-प्रिंटिंग की शुरुआत अधिक व्यक्तिगत कलेक्टर ज्यामिति के निर्माण की अनुमति देती है जो पारंपरिक विनिर्माण तकनीकों द्वारा सीमित नहीं हैं। यह वैयक्तिकरण विशेष रूप से 3 डी निर्माणों के निर्माण के लिए उपयोगी है जैसे कि दिल के वाल्व पत्रक।
मानव हृदय वाल्व पत्रकों की प्राकृतिक तीन-स्तरीय (फाइब्रोसा, स्पंजियोसा, वेंट्रिकुलरिस) वास्तुकला यांत्रिक बलों और कतरनी तनाव के लिए ऊतकों की प्रतिक्रिया है जो वे कार्डियक चक्र 9,10 के दौरान उजागर होते हैं। लामिना फाइब्रोसा के तंतुओं को परिधीय रूप से उन्मुख किया जाता है, जबकि लामिना स्पंजिओसा के तंतुओं को बेतरतीब ढंग से संरेखित किया जाता है और लामिना वेंट्रिकुलर रेडियल रूप से होता है। इसी फाइबर अभिविन्यास के साथ एक ट्रिपल-परत इस प्रकार एक ऊतक-इंजीनियर पाड़ में इन वाल्वों के गुणों की नकल करने के लिए प्रस्तावित है।
वर्कफ़्लो प्रोटोकॉल 3D-प्रिंटिंग और इलेक्ट्रोस्पिनिंग का उपयोग करके तीन-स्तरित, 3D हार्ट वाल्व पत्रकों का उत्पादन करने के लिए एक अभिनव विधि का वर्णन करता है। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक परत में सटीक फाइबर अभिविन्यास सुनिश्चित करने के लिए एक गुणवत्ता नियंत्रण चरण प्रस्तुत किया जाता है।
वर्णित प्रोटोकॉल (कार्डियोवैस्कुलर) ऊतक इंजीनियरिंग के क्षेत्र में दो नवाचारों को प्रस्तुत करता है: इलेक्ट्रोस्पिनिंग के लिए पूरी तरह से 3 डी-मुद्रित फैंटम का कम लागत वाला विनिर्माण और अनुकूलनीय, बहुस्तरीय हृदय वाल्व पत्रकों का उत्पादन करने के लिए एक बहुमुखी कलेक्टर का उपयोग।
हाल ही में, 3 डी-प्रिंटिंग प्रयोगशाला उपकरणों के उत्पादन के लिए एक मूल्यवान उपकरण बन गया है, उदाहरण के लिए, बायोरिएक्टर या विनिर्माण और परीक्षण सेटअप11,12। इसलिए, इस अध्ययन में प्रस्तुत इलेक्ट्रोस्पिनिंग सेटअप का निर्माण कम समय में और एक किफायती बजट (तालिका 1) के लिए संभव था। यह 3 डी-प्रिंटिंग13 का उपयोग करके इलेक्ट्रोस्पिनिंग सेटअप के कम लागत वाले उत्पादन के लिए पिछले निष्कर्षों के अनुरूप रहता है।
इसके अलावा, लेखकों के सर्वोत्तम ज्ञान के लिए, यह पहली बार है कि एक प्रवाहकीय 3 डी-प्रिंटिंग सामग्री का उपयोग हृदय वाल्व पत्रकों के लिए इलेक्ट्रोस्पिनिंग कलेक्टर बनाने के लिए किया गया था। अब तक, 3 डी-मुद्रित कलेक्टरों को या तो धातु लेजर सिंटरिंग14 द्वारा निर्मित किया गया था या एक प्रवाहकीय कोटिंग15 के साथ गैर-प्रवाहकीय बहुलक मुद्रण और बाद में पोस्टप्रोसेसिंग का उपयोग किया गया था। इस उपन्यास दृष्टिकोण के विपरीत, उन प्रक्रियाओं को एक महत्वपूर्ण नुकसान में हैं क्योंकि वे अधिक महंगे हैं, बहुत अधिक समय लेते हैं, या अधिक मैनुअल श्रम की आवश्यकता होती है।
इलेक्ट्रोस्पिनिंग चर की एक भीड़ पर निर्भर करता है जो बनाए गए फाइबर की आकृति विज्ञान को प्रभावित करता है। हालांकि बाजार पर विभिन्न वाणिज्यिक इलेक्ट्रोस्पिनिंग सेटअप उपलब्ध हैं, कई शोध समूह अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं से मेल खाने के लिए अत्यधिक व्यक्तिगत सेटअप का उपयोग करतेहैं। इसे ध्यान में रखते हुए, इस प्रोटोकॉल (वोल्टेज, दूरी और रोटेशन गति) में वर्णित मूल्यों को व्यक्तिगत सेटअप के लिए अनुकूलित करने की आवश्यकता हो सकती है और इसे निश्चित मूल्यों के बजाय एक प्रारंभिक बिंदु के रूप में देखा जाना चाहिए। इसके अलावा, यह ज्ञात है कि पर्यावरणीय मापदंडों का इलेक्ट्रोस्पिनिंग परिणामों17,18 पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है। इसलिए, इलेक्ट्रोस्पिनिंग रिग के भीतर कम से कम तापमान और आर्द्रता को नियंत्रित करने की अत्यधिक सिफारिश की जाती है। इष्टतम इलेक्ट्रोस्पिनिंग परिणाम 21 और 24 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान पर 15-20% सापेक्ष आर्द्रता के बीच प्राप्त किए गए थे। इस प्रोटोकॉल का पालन करने के लिए, निम्नलिखित उपकरण आवश्यक है: एक मोटर जो लगभग 300 ग्राम वजन वाले कलेक्टर को 2,000 आरपीएम की क्रांति गति से तेज करने में सक्षम है, 1-3 एमएल / एच की छोटी मात्रा प्रवाह दरों के लिए उपयुक्त एक सिरिंज पंप, और एक दोहरी-पोल बिजली आपूर्ति इकाई जो ±20 केवी प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) में सक्षम है।
पिछले अध्ययनों के अनुरूप, प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी19 द्वारा इलेक्ट्रोस्पन मचानों की रेशेदार संरचना की कल्पना करना संभव था। पाड़ की बहुस्तरीय संरचना को सफलतापूर्वक प्रदर्शित करना संभव था, जिसमें अलग-अलग फाइबर अभिविन्यास शामिल थे। विशेष रूप से जब कई परतों या कई सामग्रियों के साथ काम करते हैं, तो फ्लोरोसेंट रंजक की शुरुआत को कड़े गुणवत्ता नियंत्रण के लिए एक मानक प्रक्रिया के रूप में माना जाना चाहिए। यह पैरामीटर या वर्कफ़्लो प्रोटोकॉल में परिवर्तन के बाद परिणामों के दृश्य मूल्यांकन में सुधार कर सकता है। विवो या इन विट्रो मूल्यांकन के लिए उपयोग किए जाने वाले मचानों में डाई के आवेदन की सिफारिश नहीं की जा सकती है। यह स्थापित विश्लेषणात्मक विधियों के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए महत्वपूर्ण है।
प्राकृतिक हृदय वाल्व आकृति विज्ञान की नकल करना एक ऊतक-इंजीनियर प्रतिकृति का उत्पादन करने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है जिसे हृदय वाल्व कृत्रिम अंग (चित्रा 4 बी) के रूप में उपयोग किया जाता है। यह दिखाया गया है कि विशिष्ट वाल्व ज्यामिति विवो remodeling20 में पर एक उच्च प्रभाव पड़ता है. इस संदर्भ में, इलेक्ट्रोस्पिनिंग के लिए पत्रक ज्यामिति का 3 डी-प्रिंटिंग लाभ का है, क्योंकि पुनरावृत्तियां लागू करने में आसान और त्वरित हैं। यहां तक कि व्यक्तिगत वाल्व ज्यामिति का उत्पादन भी कल्पनीय है और हृदय वाल्व असामान्यताओं के व्यक्तिगत और व्यक्तिगत 3 डी मॉडल का बाद का विकास, उदाहरण के लिए, शिक्षण उद्देश्यों के लिए, संभव है।
ऊतक-इंजीनियर हृदय वाल्व गुणों का आगे सुधार वर्तमान अनुसंधान प्रयासों के केंद्र में है, क्योंकि कई शोध समूहों ने परिभाषित फाइबर अभिविन्यास के साथ बहुस्तरीय मचानों को विकसित करने पर काम किया है। Masoumi एट अल एक ढाला polyglycerol sebacate परत और electrospun polycaprolactone (पीसीएल) फाइबर मैट21 से मिश्रित scaffolds गढ़ा. इस प्रकार, एक ट्रिपल परत को माइक्रोफैब्रिकेटेड पॉलीग्लिसरॉल सेबेकेट की एक शीट द्वारा अलग किए गए दो उन्मुख इलेक्ट्रोस्पन परतों से बनाया जा सकता है। हालांकि, हाथ पर scaffolds के विपरीत, वे न तो एक 3 डी आकार में थे और न ही वे पर्याप्त रूप से मध्य परत (spongiosa) की नकल करते थे। एक bioinspired ऊतक-इंजीनियर दिल वाल्व के उत्पादन के लिए एक और दृष्टिकोण Jana et al.22,23 द्वारा पीछा किया गया था। उन्होंने सफलतापूर्वक पीसीएल-आधारित इलेक्ट्रोस्पिनिंग के लिए एल्यूमीनियम कलेक्टरों का उपयोग करके उन्मुख फाइबर के साथ ट्रिपल-स्तरित मचानों का उत्पादन किया। फिर से, इन scaffolds भी रूपात्मक खामियों को प्रस्तुत किया, के रूप में वे केवल एक 2 डी उपस्थिति है, और अंतिम पाड़ spokes द्वारा व्याप्त है.
भले ही प्रोटोकॉल इस बारे में विस्तृत जानकारी देता है कि 3 डी, ट्रिपल-लेयर्ड हार्ट वाल्व पत्रक का उत्पादन कैसे किया जाता है, लेकिन वास्तविक हृदय वाल्व कृत्रिम अंग बनाने के लिए कई और कदम उठाने की आवश्यकता होती है। यहां वर्णित पत्रकों के लिए 24 मिमी व्यास का एक स्टेंट अनुशंसित है। उपयोग किए गए स्टेंट के पूरक, पत्रकों को सिलाई के लिए अतिरिक्त समर्थन संरचनाओं के साथ प्रदान किया जा सकता है। अधिकतम लचीलेपन की अनुमति देने के लिए, यहां दिखाए गए पत्रकों को एक विशिष्ट स्टेंट डिजाइन के लिए व्यक्तिगत नहीं किया जाता है। यह बस सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग करके टेम्पलेट को बदलकर किया जा सकता है।
हालांकि दिल वाल्व ऊतक इंजीनियरिंग के लिए उपयोग किया जाता है, प्रस्तुत विधि ऑर्थोपेडिक्स24, यूरोलॉजी 25, ओटोलरींगोलॉजी26 और अन्य में इलेक्ट्रोस्पिनिंग सेटअपके लिए आसानी से लागू होगी। परिष्कृत और / या व्यक्तिगत 3 डी निर्माणों का उत्पादन अन्य 3 डी-मुद्रित कलेक्टरों के कार्यान्वयन से संभव है। यद्यपि कलेक्टर की सामग्री बदल गई है, इलेक्ट्रोस्पिनिंग का सिद्धांत बरकरार रहता है27। इसलिए, विभिन्न पॉलिमर का उपयोग सैद्धांतिक रूप से संभव है, हालांकि इलेक्ट्रोस्पिनिंग पैरामीटर का समायोजन आवश्यक हो सकता है।
कुल मिलाकर, प्रस्तुत प्रोटोकॉल बहुस्तरीय हृदय वाल्व पत्रकों के निर्माण के लिए एक आसान और लागत प्रभावी तरीका का वर्णन करता है। 3 डी-प्रिंटिंग का आवेदन तेजी से अनुकूलन और कलेक्टर और आवेषण के संशोधनों के लिए अनुमति देता है। यह रोगी-विशिष्ट कृत्रिम अंगों के उत्पादन को एक जटिल विनिर्माण प्रक्रिया के बिना अनुमति देता है, उदाहरण के लिए, धातु संग्राहकों। एकाधिक नमूने समान परिस्थितियों में एक रन में बनाए जा सकते हैं। इसलिए, वास्तविक वाल्व का निर्माण करने के लिए शेष (लगभग) समान लोगों के लाभ के साथ नमूनों पर सामग्री विनाशकारी परीक्षण किए जा सकते हैं। इस अध्ययन में पूरक फ़ाइलों के रूप में मुद्रण फ़ाइलों को शामिल करने का मतलब बहुस्तरीय दिल वाल्व scaffolds की प्रगति का समर्थन करने के लिए है। इस नई इलेक्ट्रोस्पिनिंग तकनीक में पुनर्योजी चिकित्सा के अन्य क्षेत्रों के लिए भी एक उच्च क्षमता है, क्योंकि संशोधित कलेक्टरों और अन्य 3 डी-मुद्रित, कताई टेम्पलेट्स को लागू करना आसान है।
The authors have nothing to disclose.
इस काम को संवहनी चिकित्सा (प्राइम) में चिकित्सक वैज्ञानिक कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था, जो ड्यूश फोर्सचुंग्सगेमेइनशाफ्ट (डीएफजी, जर्मन रिसर्च फाउंडेशन), परियोजना संख्या एमए 2186/
BTC-FR2.5TN.D09 | ZwickRoell GmbH & Co. KG | Traction engine (Tensile tests) | |
C5-E Motor Controller | Nanotec Electronic GmbH & Co. KG | Motor controll unit | |
CH1: CPN 30 kV | 0.3 mA | iseg Spezialelectronik GmbH | Power Supply Unit Anode | |
CH1: CPN 30 kV | 0.3 mA | iseg Spezialelektronik GmbH | Power Supply Unit Kathode | |
Conductive Composite PLA | ProtoPasta | Conductive PLA | |
Cura 4.7.1 | Ultimaker BV | Slicing Software Ultimaker, step 1.1.2 | |
DAPI Stock Solution c = 0.1 mg/mL | Sigma-Aldrich Chemie GmbH | DAPI | |
Disposable Scalpel No. 23 | FEATHER | Scalpel | |
Fluorescein (C.I. 45350) M 376.28 g/mol | Carl Roth GmbH + Co. KG | Fluorescein | |
Fume Hood as per DIN 12924 Class 2 | Köttermann GmbH | Fume Hood | |
Leica Applicatin Suite X 3.5.5.19976 | Leica Microsystems GmbH | Software for Confocal Laser Scanning Microscope | |
Luerlock Syringe 20 mL | BD Plastipak | Luerlock Syringe | |
Metal needle plane 2.50/2.00 x 20 mm | Unimed S.A. | Needle with plane tip | |
Montage-complet-tubes; inner diameter x outer diameter: 1/16" x 1/8", length 1.000 mm | Bohlender GmbH | F740-28 | Solvent resistant tubes |
N,N-Dimethylformamide ≥99.8% | Sigma-Aldrich Chemie GmbH | Dimethylformamide | |
Pellethane 2363 80AE | Velox GmbH Hamburg | Polyurethane | |
PLA | Ultimaker BV | PLA | |
Plug&Drive Studio (1.0.4) | Nanotec Electronic GmbH & Co. KG | Motor operation software | |
SEM Evo LS 10 | Zeiss MicroImaging GmbH | Scanning Electron Microscope | |
SHT 31-D | Adafruit Industries | Temperature and Humidity Sensor | |
SolidWorks 2020 CAD Software | Dassault Systèmes | Commercial CAD Software | |
Sulforhodamine 101 50 mg | Sigma – Aldrich | S 7635 | Texas Red |
Syringe Pump Model: Fusion 100 | Chemyx Inc. | Syringe Pump | |
TCS SP8 inverted CEL BMi8 | Leica Microsystems GmbH | Confocal Laser Scanning Microscope | |
testXpert V11.02 | ZwickRoell GmbH & Co. KG | Software Tensile Test | |
Tetrahydrofuran ≥99.9% | Sigma-Aldrich Chemie GmbH | Tetrahydrofuran | |
Type 1511530000202 #980361 | Binder Labortechnik GmbH | Heating Cabinet | |
Ultimaker 3 Extended | Ultimaker BV | 3D Printer |