Bioprinting ist weit verbreitet, um Gewebezüchtungsgerüste zu entwickeln und Gewebemodelle im Labor zu bilden. Materialwissenschaftler konstruieren mit dieser Methode komplexe 3D-Strukturen auf Basis verschiedener Polymere und Hydrogele; Eine relativ niedrige Auflösung und lange Herstellungszeiten können jedoch zu eingeschränkten Verfahren für zellbasierte Anwendungen führen.
In einem neuen Bericht jetzt verfügbar in Natur Asien Materialien, Byungjun Lee und ein Team von Wissenschaftlern des Maschinenbaus an der Seoul National University, Seoul, Korea, präsentierten eine 3D-Hybrid-Mikromaschen-unterstützte Bioprinting-Methode (Hy-MAP), um digitale Lichtprojektion, 3D-gedruckte Mikromaschen-Gerüstnähte zusammen mit sequentiellem Hydrogel zu kombinieren Musterung. Die neue Methode des Biodrucks bot eine schnelle Zellkokultur über mehrere Methoden, darunter Injektion, Eintauchen und Abtropfen. Die Arbeit kann den Aufbau mesoskaliger komplexer 3D-Hydrogelstrukturen über 2D-Mikrofluidikkanäle zu 3D-Kanalnetzwerken fördern.
Leeet al. erstellten die Designregeln für den Hy-MAP-Druck durch analytische und experimentelle Untersuchungen. Die neue Methode kann eine alternative Technik zur Entwicklung mesoskaliger implantierbarer Gewebezüchtungskonstrukte für Organ-on-a-Chip-Anwendungen bieten.
Werkstofftechnik: Entwicklung von 3D-Mikromaschenplattformen (3D MMP)
Unter Verwendung weichlithographiebasierter mikrofluidischer Plattformen können Bioingenieure mehrere Zelltypen für die Gewebezüchtung und Organ-on-a-Chip-Instrumente strukturieren. Das Konzept des kapillaren Berstventils hat zu aktiver Forschung an mikrofluidischen Zellkulturplattformen über ein Phänomen geführt, das als Liquid Pinning bekannt ist, bei dem Flüssigkeit durch Kapillarberstdruck (CBP) in der Mikrostruktur gehalten werden kann bilden eine vorgefertigte Form von Flüssigkeit. Die Methode der Flüssigkeitsstrukturierung durch Kapillarbruchventile (CBV) wird über die Modifizierung der Oberflächenhydrophilie untersucht, um sie zu entwickeln Mikropfostenstrukturen in mikrofluidischen Kanälen zur Aufnahme von Flüssig- und Hydrogelzellen für eine barrierefreie Kokultur. Da die Geräte zweidimensional (2D) und mit herkömmlicher weicher Lithographie schwer zu entwickeln sind, haben Wissenschaftler Musterzellen in 3D integriert über 3D-Druckverfahren.
In dieser Arbeit haben Lee et al. entwickelte ein neues Konzept des Hybrid-Mikromaschen-unterstützten Biodrucks (Hy-MAP), um hochauflösende 3D-gedruckte Mikromaschenstrukturen mit kapillarbrechender, ventilbasierter schneller Hydrogelmusterung zu kombinieren, um eine 3D-Mikromaschenplattform (3D-MMP) zu bilden, die Flüssigkeit enthält gestaltete Bereiche durch hochauflösenden digitalen Lichtprojektionsdruck. Sie entwickelten auch eine zusätzliche Methode, um Flüssigkeit in einen einfachen Kanal zu injizieren, um Hydrogele und Zellen zu strukturieren, indem sie ein Netzgerüst einbauten, um Flüssigkeit basierend auf der Oberflächenspannung aufzunehmen. Das Team demonstrierte die Vorteile offener Mikrofluidik und schlug eine Methode zum Bioengineering von 3D-Blutgefäßnetzwerken vor, indem Hydrogele und Zellen auf einer 3D-Micro-Mesh-Plattform mit hybridem Mikromesh-unterstütztem Drucken (Hy-MAP) für Gewebezüchtungsanwendungen strukturiert wurden.
Einschränken von Flüssigkeit innerhalb der 3D-Mikromaschenstruktur
Da die Oberflächenspannung zwischen der flüssigen und der festen Oberfläche der Mikrostrukturen die Beibehaltung der flüssigen Form unterhalb einer bestimmten Druckgrenze erleichtern kann, haben Lee et al. entwickelten die Mikromaschenstruktur, um das Verhalten von Mikroflüssigkeiten oder Tröpfchen innerhalb eines 3D-Kanals zu regulieren. Leeet al. verwendete photohärtbares Polymerharz, um das Mikronetz zu konstruieren; die resultierende 3D-MMP (Micro-Mesh-Plattform) hatte eine Dicke von 200 &mgr;m und die darin enthaltene Flüssigkeit behielt aufgrund der Oberflächenspannung ein nach außen konvexes Aussehen bei.
Das Team erhielt Bilder des Mikronetzes mittels Rasterelektronenmikroskopie, um ein Material mit hoher Genauigkeit und ohne Defekte hervorzuheben. Als Ergebnis des 3D-Drucks und der computergestützten Technologie bildete das Forschungsteam komplexe 3D-Strukturen, die bisher durch herkömmliche Herstellungsverfahren, einschließlich weicher Lithographie und Spritzguss, nicht erhältlich waren.
Theorie und Experimente zum Kapillarberstdruck (CBP)
Um die Flüssigkeit in bestimmte Positionen zu füllen, zeigte das Team, wie der auf das Mikromaschen ausgeübte Druck unter dem Kapillarberstdruck (CBP) liegen musste, wobei der CBP mit abnehmender Maschengröße zunahm. Ungeachtet des tadellos genauen 3D-Druckverfahrens fehlte es den Mikromaschen während des Druckvorgangs an Schärfe, was zu Abweichungen zwischen den beobachteten experimentellen und bekannten theoretischen Werten führte. Das Team führte mehrere Analysen durch, um zu zeigen, wie CBP die Größe des Spalts variierte, während es Wasser in einfachen Mikromascheneinheiten unterschiedlicher Form und Größe zurückhielt. Basierend auf diesen Prinzipien haben Lee et al. produzierten eine Vielzahl von mikrofluidischen Kanälen. Vorteilhaft war auch das Hy-MAP-Verfahren (Hybrid Micromesh Assisted Printing). Das Team zeigte, wie Konstrukte für die selektive Flüssigkeitsmusterung hergestellt werden können, um einen komplexen 3D-Kanal zu bilden.
Zellstrukturierung für Gewebezüchtungsanwendungen
Die Wissenschaftler entwickelten eine Reihe von 3D-Musterungsmethoden, um Flüssigkeiten und in Hydrogel eingekapselte Zellen einzuschließen. Durch die Verwendung der Hy-MAP-Methode führten sie eine ausgeklügelte Zellmusterung als potenzielle Alternative zum 3D-Bioprinting ein. Um die Zellkultur zu vervollständigen, haben Lee et al. bildeten eine kompartimentierte Struktur zur selektiven Strukturierung mehrerer Zelltypen. Anschließend bereiteten sie vor der enzymatischen Gelierung des Kulturaufbaus eine Mischung aus Zellen und Hydrogelen vor und führten viele Kokulturstudien mit Endothelzellen, Stromazellen und Krebszellen durch.
Während der Experimente injizierten sie ein zellbeladenes Fibringel in eine dreikanalige Mikromaschenplattform, in der sie ein 3D-Gefäßsystem kultivierten, um die Vaskulogenese zu erleichtern. Das Team konstruierte auf ähnliche Weise eine Mikromaschenplattform für Kokulturexperimente von Tumoren und Gefäßen und zeigte auf der Grundlage der Studien, wie Zellen über mehrere Methoden hinweg kultiviert werden können, um Hy-MAP effektiv für die Gewebezüchtung zu integrieren.
Ausblick
Auf diese Weise präsentierten Byungjun Lee und Kollegen ein neues hybrides Bioprinting-System mit einem 3D-Drucker und einem Musterungsverfahren, um den Flüssigkeitsfluss in der Strömungsmechanik anzuwenden und Flüssigkeiten im Mikromaßstab in Zellkulturplattformen zu mustern. Das Team überwand die Grenzen herkömmlicher Bioprinting-Systeme, indem es eine Flüssigkeit in einen einfachen Kanal oder einen Kanal mit einer anderen Konformation einfüllte, um Flüssigkeiten über die Oberflächenspannung in einem Maschengerüst einzuschließen, um Flüssigkeits- oder Hydrogelmuster zu erzeugen. Dieser Aufbau ist auf verschiedenen 3D-organisierten, mehrteiligen Zellkulturplattformen für Zellbiologie-, Arzneimitteleffizienz- und Arzneimitteltoxizitätstests wirksam und eignet sich zusammen mit biologisch abbaubaren Mikromaschen für fortschrittliche Lab-on-a-Chip- und Organ-on-a-Chip-Anwendungen Materialien, die für Anwendungen im regenerativen Tissue Engineering entwickelt wurden.
Byungjun Lee et al., 3D-Mikronetz-basierter Hybrid-Biodruck: mehrdimensionale Flüssigkeitsmusterung für 3D-Mikrogewebe-Engineering, Materialien von NPG Asia (2022). DOI: 10.1038/s41427-022-00355-x
Bagrat Grigoryan et al, Multivaskuläre Netzwerke und funktionelle intravaskuläre Topologien in biokompatiblen Hydrogelen, Wissenschaft (2019). DOI: 10.1126/science.aav9750
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