Биопечать широко применяется для разработки каркасов тканевой инженерии и формирования моделей тканей в лаборатории. Материаловеды используют этот метод для создания сложных трехмерных структур на основе различных полимеров и гидрогелей; однако относительно низкое разрешение и длительное время изготовления могут привести к ограниченным процедурам для клеточных приложений.

В новом отчете, который теперь доступен в Nature Asia Materials , Бёнджун Ли и группа ученых в области машиностроения из Сеульского национального университета, Сеул, Корея, представили трехмерный метод биопечати с гибридной микросеткой (Hy-MAP) для объединения цифровой проекции света, Напечатанные на 3D-принтере микросетчатые каркасные швы вместе с последовательным нанесением гидрогелевого рисунка. Новый метод биопечати предлагал быстрое совместное культивирование клеток с помощью нескольких методов, включая инъекцию, погружение и дренирование. Работа может способствовать созданию мезомасштабных сложных 3D-гидрогелевых структур через 2D-микрожидкостные каналы в сети 3D-каналов.

Ли и др. установил правила проектирования для печати Hy-MAP с помощью аналитических и экспериментальных исследований. Новый метод может стать альтернативой для разработки мезомасштабных имплантируемых тканевых инженерных конструкций для приложений «орган-на-чипе» .

Материаловедение: разработка 3D-микросетчатых платформ (3D MMP)

Используя микрожидкостные платформы на основе мягкой литографии, биоинженеры могут моделировать несколько типов клеток для тканевой инженерии и инструментов «орган-на-чипе». Концепция капиллярного разрывного клапана привела к активным исследованиям микрофлюидных платформ для культивирования клеток с помощью явления, известного как закрепление жидкости, когда жидкость может поддерживаться в микроструктуре за счет давления капиллярного разрыва (CBP) для формирования жидкости заданной формы. Метод формирования жидкостного рисунка с помощью капиллярного разрывного клапана (CBV) исследуется путем модификации гидрофильности поверхности для разработки структур микроштифтов.в микрожидкостных каналах для удержания жидких и гидрогелевых клеток для безбарьерного совместного культивирования. Поскольку устройства являются двумерными (2D) и их трудно разрабатывать с помощью обычной мягкой литографии, ученые включили формирование ячеек в 3D с помощью методов 3D-печати.

В этой работе Lee и соавт. сформировали новую концепцию биопечати с помощью гибридной микросетки (Hy-MAP), чтобы объединить 3D-печатные микросетчатые структуры высокого разрешения с капиллярным разрывом, клапанным быстрым формированием гидрогелевого рисунка для формирования 3D-микросетчатой ​​платформы (3D-MMP), содержащей жидкость в проектируемых площадей с помощью цифровой светопроекционной печати с высоким разрешением. Они также разработали дополнительный метод введения жидкости в простой канал для формирования гидрогелей и клеток путем включения сетчатого каркаса для удержания жидкости на основе поверхностного натяжения. Команда продемонстрировала преимущества открытой микрофлюидики и предложила метод биоинженерии трехмерных сетей кровеносных сосудов путем формирования гидрогелей и клеток на платформе 3D Micro-Mesh с гибридной печатью с помощью микросетки (Hy-MAP) для приложений тканевой инженерии.

Сдерживание жидкости внутри трехмерной микросетчатой ​​структуры

Поскольку поверхностное натяжение между жидкостью и твердой поверхностью микроструктур может способствовать поддержанию формы жидкости ниже определенного предела давления, Lee et al. разработала структуру микросетки для регулирования поведения микрожидкостей или капель в трехмерном канале. Ли и др. использовала фотоотверждаемую полимерную смолу для построения микросетки; полученная 3D MMP (Micro-Mesh Platform) имела толщину 200 мкм, а жидкость внутри сохраняла внешне выпуклый вид из-за поверхностного натяжения.

Команда получила изображения микросетки с помощью сканирующей электронной микроскопии, чтобы выделить материал с высокой точностью и без дефектов. В результате 3D-печати и компьютерных технологий исследовательская группа сформировала сложные 3D-структуры, которые до сих пор нельзя было получить с помощью традиционных методов производства, включая мягкую литографию и литье под давлением.

Теория и эксперименты с давлением капиллярного разрыва (CBP)

Чтобы заполнить жидкостью определенные места, команда показала, что давление, прикладываемое к микросетке, должно быть ниже давления разрыва капилляров (CBP), где CBP увеличивалось по мере уменьшения размера сетки. Несмотря на безупречно точный метод 3D-печати, микросетке не хватало резкости в процессе печати, что вызывало отклонения между наблюдаемыми экспериментальными и известными теоретическими значениями. Команда провела несколько анализов, чтобы показать, как CBP изменяет размер зазора, удерживая воду в пределах простых микроячеек разных форм и размеров. Основываясь на этих принципах, Lee et al. произвел широкий спектр микрожидкостных каналов. Метод Hy-MAP (гибридная печать с помощью микросетки) также оказался выгодным.

Создание клеточного паттерна для приложений тканевой инженерии

Ученые разработали ряд методов трехмерного моделирования, чтобы содержать жидкости и клетки, инкапсулированные в гидрогель. Используя метод Hy-MAP, они внедрили сложные модели клеток в качестве потенциальной альтернативы 3D-биопечати. Для завершения культивирования клеток Lee et al. сформировали разделенную структуру для селективного формирования паттерна нескольких типов клеток. Затем они подготовили смесь клеток и гидрогелей перед ферментативным гелеобразованием установки для культивирования и провели множество исследований совместного культивирования с эндотелиальными клетками, стромальными клетками и раковыми клетками.

Во время экспериментов они вводили фибриновый гель, насыщенный клетками, в трехканальную микроячеистую платформу, внутри которой они культивировали трехмерную сосудистую сеть для облегчения васкулогенеза. Команда аналогичным образом построила платформу микросетки для экспериментов по совместному культивированию опухоли и сосудов, и на основе исследований они показали, как можно культивировать клетки несколькими методами, чтобы эффективно интегрировать Hy-MAP для тканевой инженерии.