Bio-inkoust - Bio-ink - Wikipedia

Bio-inkousty jsou materiály používané k výrobě umělých / umělých živých tkání za použití 3D tisk. Tyto inkousty se většinou skládají z buněk, které se používají, ale často se používají v tandemu s dalšími materiály, které buňky obklopují. Kombinace buněk a obvykle biopolymer gely jsou definovány jako bio-inkoust. Musí splňovat určité vlastnosti, včetně např reologické, mimo jiné mechanické, biofunkční a biokompatibilní vlastnosti. Používání biologických inkoustů poskytuje vysokou reprodukovatelnost a přesnou kontrolu nad vyrobenými konstrukcemi automatizovaným způsobem.[1] Tyto inkousty jsou považovány za jeden z nejpokročilejších nástrojů pro tkáňové inženýrství a regenerativní medicínu (TERM).[2]

Stejně jako termoplasty, které se často používají v tradičním provedení 3D tisk, mohou být biologické inkousty vytlačovány prostřednictvím tiskových trysek nebo jehel do vláken, která si po nanesení mohou zachovat věrnost svého tvaru (Pět typů bioinků, 26. dubna 2017). Biologické inkousty jsou však citlivé na normální stav 3D tisk podmínky zpracování.

Rozdíly od tradičních materiálů pro 3D tisk

  • Tištěno při mnohem nižší teplotě (37 ° C nebo nižší)
  • Mírné podmínky síťování
  • Přírodní odvození
  • Bioaktivní
  • Buňka manipulovatelná

Tisknutelnost

Bioinkové kompozice a chemie jsou často inspirovány a odvozeny ze stávajících hydrogelových biomateriálů. Tyto hydrogelové biomateriály však byly často vyvinuty pro snadné pipetování a odlévání do destiček studní a jiných forem. Změna složení těchto hydrogelů, aby se umožnilo vytváření vláken, je nezbytná pro jejich translaci jako biologicky potisknutelných materiálů. Jedinečné vlastnosti bioinků však nabízejí nové výzvy v charakterizaci tisknutelnosti materiálu.[3]

Tradiční techniky biotisku zahrnují ukládání materiálu vrstvu po vrstvě za účelem vytvoření konečné struktury, ale v roce 2019 byla zavedena nová metoda zvaná objemový biotisk. K objemovému biotisku dochází, když je bio-inkoust umístěn do kapalné buňky a je selektivně ozařován zdrojem energie. Tato metoda aktivně polymerizuje ozářený materiál a bude obsahovat konečnou strukturu. Výroba biomateriálů pomocí objemového bioprotisku biologických inkoustů může výrazně zkrátit dobu výroby. Ve vědě o materiálech jde o průlom, který umožňuje rychle vytvářet personalizované biomateriály. Tento postup musí být vyvinut a klinicky studován, než bude možné dosáhnout jakéhokoli významného pokroku v odvětví bioprotisku.[4]

Na rozdíl od tradičních 3D tiskových materiálů, jako jsou termoplasty, které jsou v podstatě „fixovány“, jakmile jsou vytištěny, jsou bioinks dynamickým systémem kvůli vysokému obsahu vody a často nekrystalické struktuře. Rovněž je třeba charakterizovat tvarovou věrnost bioinků po nanesení vlákna.[5] Nakonec je třeba vzít v úvahu tlak tisku a průměr trysky, aby se minimalizovaly smykové napětí působící na bioink a na jakékoli buňky v bioinku během procesu tisku. Příliš vysoké smykové síly mohou buňky poškodit nebo lyžovat, což nepříznivě ovlivní životaschopnost buněk.

Mezi důležité aspekty tisknutelnosti patří:

  • Rovnoměrnost průměru vlákna
  • Úhly při interakci vláken
  • „Krvácení“ vláken společně na křižovatkách
  • Zachování věrnosti tvaru po tisku, ale před zesítěním
  • Tlak tisku a průměr trysky
  • Viskozita tisku
  • Vlastnosti gelace

Klasifikace biologických inkoustů

Strukturální

Strukturální biologické inkousty se používají k vytvoření rámce požadovaného tisku s použitím materiálů, jako je alginát, decellularizované ECM, želatiny a další. Z výběru materiálu můžete ovládat mechanické vlastnosti, tvar a velikost a životaschopnost buněk. Díky těmto faktorům je tento typ jedním ze základních, ale stále jedním z nejdůležitějších aspektů Bio-tištěného designu.

Obětní

Obětované biologické inkousty jsou materiály, které budou použity k podpoře během tisku a poté budou z tisku odstraněny, aby se vytvořily kanály nebo prázdné oblasti ve vnější struktuře. Kanály a otevřené prostory jsou nesmírně důležité, aby umožňovaly buněčnou migraci a transport živin, což je užitečné při pokusech o návrh vaskulární sítě. Tyto materiály musí mít specifické vlastnosti závislé na okolním materiálu, který musí zůstat, jako je rozpustnost ve vodě, degradace za určitých teplot nebo přirozená rychlá degradace. Nezesítěné želatiny a pluronika jsou příklady potenciálního obětavého materiálu.

Funkční

Funkční biologické inkousty jsou některé ze složitějších forem inkoustu, které se používají k vedení buněčného růstu, vývoje a diferenciace. Toho lze dosáhnout ve formě integrace růstových faktorů, biologických podnětů a fyzických podnětů, jako je povrchová struktura a tvar. Tyto materiály lze popsat jako nejdůležitější, protože jsou největším faktorem při vývoji funkční tkáně i funkce.

Podpěra, podpora

Podpůrné inkousty se používají k umožnění vývoje a růstu tištěných konstrukcí do bodu, kdy se mohou v některých situacích samy podporovat. Bio-tištěné struktury mohou být extrémně křehké a křehké kvůli složitým strukturám a převisům v raném období po tisku, tyto podpůrné struktury jim dávají šanci se z této fáze dostat. Jakmile je konstrukce samonosná, lze ji odstranit. V jiných situacích, jako je zavedení konstruktu do bioreaktoru po vytištění, lze tyto struktury použít k umožnění snadného rozhraní se systémy používanými k rychlejšímu vývoji tkáně.

4-D

4-D bio inkousty jsou budoucností v oblasti bioprintingu, jsou typem, který nám umožní mít vysoce fungující tkáňové systémy. Jejich vlastnosti jsou závislé na podnětu, do kterého jsou zavedeny, například budoucí bioinkoust citlivý na elektřinu, který by se mohl smršťovat a uvolňovat na základě elektrických impulsů vytvářejících fungující svalovou tkáň. Tyto budoucí materiály mají potenciál převratu ve způsobu, jakým se díváme na tkáňové inženýrství a lékařský průmysl jako celek, tím, že se přibližujeme k cíli tisku životaschopného orgánu pro pacienta.

[6]

Biologické inkousty na bázi hydrogelu

Polysacharidy

Alginát

Alginát je přirozeně získaný biopolymer z buněčné stěny hnědých mořských řas, který se v biomedicíně široce používá kvůli své biokompatibilitě, nízké cytotoxicitě, mírnému gelovatění a nízkým nákladům. Algináty jsou zvláště vhodné pro bioprotisk díky jejich mírným podmínkám zesíťování začleněním dvojmocných iontů, jako je vápník. Tyto materiály byly přijaty jako bioinks zvýšením jejich viskozity.[7] Navíc mohou být tyto bioinks na bázi alginátu smíchány s jinými materiály, jako je nanocelulóza, pro aplikaci v tkáních, jako je chrupavka.[8]

Protože rychlé zgelovatění vede k dobré tisknutelnosti, bioprinting hlavně využívá alginát, modifikovaný alginát samotný nebo alginát ve směsi s jinými biomateriály. Alginát se stal nejpoužívanějším přírodním polymerem pro bioprotisk a je s největší pravděpodobností nejběžnějším materiálem volby in vivo studie.

Gellanská guma

Gellanová guma je hydrofilní a vysokomolekulární aniontový polysacharid produkovaný bakteriemi. Je velmi podobný alginátu a při nízkých teplotách může vytvářet hydrogel. Je dokonce schválen pro použití v potravinách United States Food and Drug Administration (FDA). Gellanová guma se používá hlavně jako gelující látka a stabilizátor. Pro účely bioprotisku se však téměř nikdy nepoužívá samostatně.[1]

Agaróza

Agaróza je polysacharid extrahovaný z mořských řas a červených mořských řas. Běžně se používá v elektroforéza aplikace a tkáňové inženýrství pro jeho gelovací vlastnosti. Teploty tání a gelovatění agarózy lze upravit chemicky, což zase zlepšuje její potiskovatelnost. Mít bio-inkoust, který lze upravit tak, aby vyhovoval konkrétním potřebám a podmínkám, je ideální.

Proteinové biologické inkousty

Želatina

Želatina byl široce využíván jako biomateriál pro upravené tkáně. Tvorba želatinových lešení je dána fyzickými řetězovými zapleteními materiálu, který při nízkých teplotách tvoří gel. Při fyziologických teplotách však viskozita želatiny významně klesá. Methakrylace želatiny je běžným přístupem pro výrobu želatinových lešení, která lze tisknout a udržovat tvarovou věrnost při fyziologické teplotě.[9]

Kolagen

Kolagen je hlavní bílkovina v extracelulární matrix buněk savců. Z tohoto důvodu má kolagen tkáňové shody fyzikálně-chemické vlastnosti a biokompatibilita. Kromě toho byl kolagen již použit v biomedicínské aplikace. Některé studie, ve kterých se kolagen používá, jsou upravené kožní tkáně, svalové tkáně a dokonce i kostní tkáně.[1]

Syntetické polymery

Pluronics

Pluronics byly použity v tiskových aplikacích kvůli jejich jedinečným gelačním vlastnostem.[10] Pod fyziologickými teplotami vykazuje pluronika nízkou viskozitu. Při fyziologických teplotách však pluronika tvoří gel. Ve vytvořeném gelu však dominují fyzické interakce. Trvalejší síť na bázi pluronu lze vytvořit modifikací pluronického řetězce akrylátovými skupinami, které mohou být chemicky zesítěny.[11]

KOLÍK

Polyethylenglykol (PEG) je syntetický polymer syntetizovaný ethylenoxid polymerizace. Je to příznivý syntetický materiál díky svým přizpůsobitelným, ale typicky silným mechanickým vlastnostem.[1] Mezi výhody PEG také patří necytotoxicita a neimunogenicita. PEG je však bioinertní a je třeba jej kombinovat s jinými biologicky aktivními hydrogely.

Jiné biologické inkousty

Decellularizovaný ECM

Decellularized extracelulární matrix Bioinks na bázi lze odvodit z téměř jakékoli savčí tkáně. Orgány, jako je srdce, sval, chrupavka, kost a tuk, se však často decellularizují, lyofilizují a rozmělňují na prášek, aby se vytvořila rozpustná matrice, z níž se pak mohou vytvořit gely.[12] Tyto bioinksy mají oproti jiným materiálům několik výhod díky jejich derivaci ze zralé tkáně. Tyto materiály sestávají ze složité směsi strukturních a dekoračních proteinů ECM specifických pro jejich tkáňový původ. Proto jsou bioinks odvozené od dECM zvláště přizpůsobeny tak, aby poskytovaly tkáňově specifické podněty buňkám. Tyto bioinksy jsou často zesítěny pomocí tepelné gelace nebo chemického zesíťování, například pomocí riboflavinu.[13]

Viz také

Reference

  1. ^ Xiaolin, Cui; et al. (30. dubna 2020). „Pokroky v extrudování 3D bioprintingu: zaměření na vícesložkové bioinkové báze na bázi hydrogelu“. Pokročilé zdravotnické materiály. 9 (15): e1901648. doi:10.1002 / adhm.201901648. PMID  32352649.
  2. ^ Hölzl, Katja; Lin, Shengmao; Tytgat, Liesbeth; Van Vlierberghe, Sandra; Gu, Linxia; Ovsianikov, Aleksandr (23. září 2016). "Vlastnosti Bioink před, během a po 3D biotisku". Biofabrikace. 8 (3): 032002. Bibcode:2016BioFa ... 8c2002H. doi:10.1088/1758-5090/8/3/032002. PMID  27658612.
  3. ^ Bernal, Paulina Nuñez; Delrot, Paul; Loterie, Damien; Li, Yang; Malda, Jos; Moser, Christophe; Levato, Riccardo (2019). „Volumetrický biotisk komplexů konstruktů živé tkáně během několika vteřin“. Pokročilé materiály. 31 (42): 1904209. doi:10.1002 / adma.201904209. ISSN  1521-4095. PMID  31423698.
  4. ^ Ouyang, Liliang (2016). "Vliv vlastností bioink na potiskovatelnost a životaschopnost buněk pro 3D bioplotování embryonálních kmenových buněk". Biofabrikace. 8 (3): 035020. Bibcode:2016BioFa ... 8c5020O. doi:10.1088/1758-5090/8/3/035020. PMID  27634915.
  5. ^ (Pět typů bioinků, 26. dubna 2017)
  6. ^ Jia, Jia (2014). „Engineering alginate as bioink for bioprinting“. Acta Biomaterialia. 10 (10): 4323–4331. doi:10.1016 / j.actbio.2014.06.034. PMC  4350909. PMID  24998183.
  7. ^ Markstedt, Kajsa (2015). „3D bioprinting lidských chondrocytů s nanocelulóza – alginátovým bioinkem pro aplikace tkáňového inženýrství v chrupavce“. Biomakromolekuly. 16 (5): 1489–1496. doi:10.1021 / acs.biomac.5b00188. PMID  25806996.
  8. ^ Hoch, Eva (2013). „Chemické přizpůsobení želatiny k úpravě jejích chemických a fyzikálních vlastností pro funkční biologický tisk“. Journal of Materials Chemistry B. 1 (41): 5675–5685. doi:10.1039 / c3tb20745e. PMID  32261191.
  9. ^ Tirnaksiz, Figen (2005). "Reologické, mukoadhezivní a uvolňovací vlastnosti pluronického gelu F-127 a pluronického F-127 / polykarbofilního směsného gelového systému". Die Pharmazie. 60 (7): 518–23. PMID  16076078.
  10. ^ Müller, Michael (2015). „Nanostrukturované pluronické hydrogely jako bioinks pro 3D biotisk“. Biofabrikace. 7 (3): 035006. Bibcode:2015BioFa ... 7c5006M. doi:10.1088/1758-5090/7/3/035006. PMID  26260872.
  11. ^ Pati, Falguni (2014). „Tisk trojrozměrných analogů tkáně s decellularizovaným extracelulárním bioinkem bioink“. Příroda komunikace. 5 (5): 3935. Bibcode:2014NatCo ... 5.3935P. doi:10.1038 / ncomms4935. PMC  4059935. PMID  24887553.
  12. ^ Jang, Jinah (2016). "Přizpůsobení mechanických vlastností decellularizovaného extracelulárního matrixu bioinkem pomocí foto-síťování vyvolaného vitaminem B2". Acta Biomaterialia. 33: 88–95. doi:10.1016 / j.actbio.2016.01.013. PMID  26774760.

externí odkazy