液滴プリントヘッドによる 3D 印刷ハイドロゲルバイオインクの最新研究

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-5-14 10:38 に最後に編集されました

南極クマの紹介: 3D バイオプリンティングは、生体組織を体外で生産するための一般的な方法であり、さまざまな組織工学プロジェクトに適用できます。液滴ベースのバイオプリンティング (DBB) は、バイオプリンティング手法の中で最も高い解像度を備えています。ただし、印刷プロセスは低粘度のバイオインクとのみ互換性があるため、DBB の使用は制限されます。この困難を克服するために、研究者たちは新たな解決策を発見しました。

2022年5月14日、Antarctic Bearは、Bioprinting誌に最近掲載された記事で、研究者らがイオン架橋ハイドロゲルバイオインクとミストベースのプリントヘッドを使用した液滴ベースのバイオプリンティングについて議論したことを知りました。使用されるフォーマットは、これまでの液滴ベースのバイオプリンティング方法とは正反対です。

オリジナル論文の詳細については、Badr, S.、MacCallum, B.、Madadian, E.、et al. をご覧ください。イオン架橋ハイドロゲルバイオインクの液滴ベースバイオプリンティングのためのミストベースプリントヘッドの開発

バイオプリンティングe00207(2022)。 https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2405886622000173

科学研究の背景について 現在、バイオインク液滴を架橋するために研究されている 2 つの方法として、イオン性架橋剤への曝露と熱変調があります。しかし、印刷段階で架橋剤が蓄積すると、液滴や構造の正確な配置が難しくなり、印刷された構造の形状の忠実度に悪影響を及ぼします。

この問題を克服するために、バイオインクと架橋剤の液滴を噴射し、余分な架橋剤をプリントベッドの下の吸収性組織で収集するという新たな発見がありました。これらの液体ベースの架橋技術では、過度のゲル化と液滴の拡散により解像度と層接着性が低下します。十分な形状忠実度と層接着を確保するには、架橋速度を制御するためのより優れたメカニズムが必要です。

△新型液滴型プリントヘッド開発の概略図。画像提供：Shutterstock
研究について この研究では、著者らはイオン架橋ハイドロゲルバイオインクを使用した 3D バイオプリンターの新しい発見について議論しています。この新しい技術は、プリントヘッド内に架橋剤のミストを送り込みます。プリントヘッド内の余分なミストを除去する装置を開発することで、印刷段階での液体の集まりを最小限に抑え、スキャフォールドの不安定性に対処することができます。将来的には、このプリントヘッドは商業的に利用可能となり、液滴の共接着と良好な液滴ゲル化を実現できるようになります。

研究チームは、さまざまな噴霧速度、膨潤性、印刷性を使用して架橋構造を研究しました。さらに、スプレー出口圧力、プリントヘッドの高さ、プリントヘッドのチャネル直径がプリントヘッド内のスプレー分布とゲル化速度に与える影響も研究されました。高速イメージングを使用して、液滴速度とミスト濃度が表面への液滴衝突のダイナミクスに与える影響も研究されました。

研究者らは、プリントベッド上に堆積する前にバイオインク液滴を制御された方法で架橋することを可能にする独自のバイオプリンティング技術を開発しました。ミストベースの DBB システムの性能は、天然の細胞外マトリックス (ECM) によく似たハイドロゲルバイオインクを使用して評価されました。

△液滴ゲル化が形状忠実度と共液滴接着に与える影響。バイオプリンティングからの画像
実験観察 噴霧入口流量が 1250、1000、1500 mL/分の場合、架橋ステントの拡張率はそれぞれ 1101%、1003%、1100% でした。 3 日目には、対照、濃度 3wt%、2wt%、1wt% でそれぞれ平均生存率が 99%、98%、97% でした。 4 日目には、生存率レベルは 3 日目よりも低くなり、1wt% アルギン酸ナトリウムバイオインクの生存率が最も高くなりました。

圧縮率は最低流量 1000 mL/分では 17.80 kPa でしたが、最高流量 1500 mL/分では 25.90 kPa でした。一方、ミスト架橋スキャフォールドの1250、1750、1500 ml /分での印刷可能値は、それぞれ0.83 ± 0.06、0.63 ± 0.34、0.34 ± 0.42でした。 10 wt % 霧溶液の代わりに 40 wt % CaCl 2 霧溶液を使用した場合、拡散係数は 12% 減少しました。

ミスト供給量を変えることでゲル化速度を調整できることが実証された。ミストの供給率は、3D プリント構造の形状忠実度と機械的品質に影響します。設計されたプリントヘッドは、細胞生存率が高く細胞毒性が低い構造を生み出しました。液滴ベースのバイオプリンティングは、臓器や組織の再生のための生体適合性のある複雑な足場を作成するために使用できます。

ミスト流量は、3D プリント構造の機械的特性と形状忠実度に影響を与えます。 バイオインク液滴をプリントヘッド内に露出させ、架橋剤ミストの流れを調整した後、プリントヘッド内のミストを収集して印刷段階での架橋剤の蓄積を抑制し、ゲル化を制御して良好な層接着と形状忠実度を実現します。

印刷された構造物は、良好な細胞生存率と低い細胞毒性を示すことが示された。 さらに、ゲル化プロセスは、デミスト圧力、プリントヘッドの高さ、プリントヘッドのチャネル直径などの印刷パラメータを変更することで調整できます。液滴衝突のダイナミクスは、液滴の衝突速度とミスト濃度を変化させることによって調整できます。

△模式図：3Dプリントモデルは、赤血球に酸素を供給できる気道を備えた機能的な肺をシミュレートします。画像提供：ジョーダン・ミラー・ライス
実験の結論 この研究では、DBB システムがミストベースのプリントヘッドアタッチメントを使用して、印刷プロセス中にハイドロゲル液滴を架橋することを示しています。足場は、CaCl ミストで架橋されたアルギン酸ナトリウムを使用して印刷され、液滴と層間のゲル化と接着が良好であることが示されました。フォグの濃度は、出口圧力やプリントベッドからプリントヘッドまでの高さなどの印刷パラメータによって異なります。

著者らは、このアプローチはさまざまな印刷材料や、異なるゲル化速度を必要とする用途に使用できることを強調している。また、3Dプリントされた構造は生体適合性があり、この足場は臓器や組織のプリントに使用できるとも述べています。

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