Био-чернила

Биочернила — это материалы, используемые для производства искусственных живых тканей с помощью 3D-печати . Эти чернила в основном состоят из используемых клеток, но часто используются в сочетании с дополнительными материалами, покрывающими клетки. Комбинация клеток и обычно биополимерных гелей определяется как биочернила. Они должны соответствовать определенным характеристикам, в том числе таким, как реологические , механические, биофункциональные свойства и свойства биосовместимости. Использование биочернил обеспечивает высокую воспроизводимость и точный контроль над изготовленными конструкциями в автоматизированном режиме. ^{[ 1 ]} Эти чернила считаются одним из самых передовых инструментов тканевой инженерии и регенеративной медицины (TERM). ^{[ 2 ]}

Как и термопласты, которые часто используются в традиционной 3D-печати , биочернила можно экструдировать через печатные сопла или иглы в нити, которые могут сохранять точность формы после осаждения. Однако биочернила чувствительны к обычным условиям обработки 3D-печати .

Отличия от традиционных материалов для 3D-печати

Печать при гораздо более низкой температуре (37 °C или ниже).
Мягкие условия сшивания
Естественное происхождение
Биоактивный
Ячейка манипулируется

Возможность печати

Композиции и химические составы биочернил часто основаны на существующих гидрогелевых биоматериалах и получены из них. Однако эти гидрогелевые биоматериалы часто разрабатывались так, чтобы их можно было легко наносить пипеткой и заливать в планшеты с лунками и другие формы. Изменение состава этих гидрогелей для обеспечения возможности образования нитей необходимо для их использования в качестве материалов для биопечати. Однако уникальные свойства биочернил ставят новые задачи в оценке пригодности материалов для печати. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Традиционные методы биопечати включают в себя послойное нанесение материала для создания конечной структуры, но в 2019 году был представлен новый метод, названный объемной биопечатью. Объемная биопечать происходит, когда биочернила помещаются в жидкую ячейку и избирательно облучаются источником энергии. Этот метод будет активно полимеризовать облученный материал, что и составит окончательную структуру. Производство биоматериалов с использованием объемной биопечати биочернил может значительно сократить время производства. В материаловедении это прорыв, позволяющий быстро создавать персонализированные биоматериалы. Процедура должна быть разработана и изучена клинически, прежде чем можно будет реализовать какие-либо серьезные достижения в индустрии биопечати. ^{[ 5 ]}

В отличие от традиционных материалов для 3D-печати, таких как термопласты, которые по сути «фиксируются» после печати, биочернила представляют собой динамическую систему из-за высокого содержания воды и часто некристаллической структуры. Также необходимо охарактеризовать точность формы биочернил после осаждения нитей. ^{[ 6 ]} Наконец, необходимо учитывать давление печати и диаметр сопла, чтобы минимизировать напряжения сдвига, действующие на биочернила и любые клетки внутри биочернил во время процесса печати. Слишком высокие силы сдвига могут повредить или лизировать клетки, отрицательно влияя на их жизнеспособность.

Важные аспекты возможности печати включают в себя:

Равномерность диаметра нити
Углы при взаимодействии нитей
«Слияние» нитей вместе в местах пересечения.
Сохранение точности формы после печати, но до сшивки.
Давление печати и диаметр сопла
Вязкость печати
Гелеобразующие свойства

Классификация биочернил

Структурный

Структурные биочернила используются для создания основы желаемого отпечатка с использованием таких материалов, как альгинат, децеллюляризованный ЕСМ, желатин и многое другое. Выбирая материал, вы можете контролировать механические свойства, форму и размер, а также жизнеспособность клеток. Эти факторы делают этот тип одним из наиболее простых, но все же одним из наиболее важных аспектов биопечатного дизайна.

Жертвенный

Жертвенные биочернила — это материалы, которые будут использоваться для поддержки во время печати, а затем будут удалены из печати, чтобы создать каналы или пустые области внутри внешней структуры. Каналы и открытые пространства чрезвычайно важны для обеспечения миграции клеток и транспортировки питательных веществ, что делает их полезными при создании сосудистой сети. Эти материалы должны иметь определенные свойства, зависящие от окружающего материала, который должен сохраняться, например, растворимость в воде, разложение при определенных температурах или быстрое естественное разложение. Несшитые желатиновые вещества и плюроники являются примерами потенциально жертвуемого материала.

Функциональный

Функциональные биочернила — это одни из наиболее сложных форм чернил, которые используются для управления клеточным ростом, развитием и дифференцировкой. Это можно сделать путем интеграции факторов роста, биологических и физических сигналов, таких как текстура и форма поверхности. Эти материалы можно назвать наиболее важными, поскольку они являются важнейшим фактором в развитии функциональной ткани, а также связанных со структурой функций.

Поддерживать

Биопечатные конструкции могут быть чрезвычайно хрупкими и хрупкими из-за сложной структуры и выступов в ранний период после печати. Эти структуры поддержки дают им возможность выйти из этой фазы. Как только конструкция станет самодостаточной, их можно будет удалить. В других ситуациях, таких как введение конструкции в биореактор после печати, эти структуры можно использовать для обеспечения легкого взаимодействия с системами, используемыми для более быстрого развития ткани.

Полисахариды

Альгинат

Альгинат — это природный биополимер, полученный из клеточной стенки бурых морских водорослей, который широко используется в биомедицине из-за его биосовместимости, низкой цитотоксичности, мягкого процесса гелеобразования и низкой стоимости. Альгинаты особенно подходят для биопечати благодаря мягким условиям сшивки за счет включения двухвалентных ионов, таких как кальций. Эти материалы были использованы в качестве биочернил за счет увеличения их вязкости. ^{[ 7 ]} Кроме того, эти биочернила на основе альгината можно смешивать с другими материалами, такими как наноцеллюлоза, для нанесения на такие ткани, как хрящи. ^{[ 8 ]}

Поскольку быстрое гелеобразование обеспечивает хорошие печатные свойства, в биопечати в основном используется альгинат , модифицированный альгинат отдельно или альгинат в смеси с другими биоматериалами . Альгинат стал наиболее широко используемым природным полимером для биопечати и, скорее всего, является наиболее распространенным материалом для исследований in vivo .

Геллановая камедь

Геллановая камедь представляет собой гидрофильный высокомолекулярный анионный полисахарид, вырабатываемый бактериями. Он очень похож на альгинат и может образовывать гидрогель при низких температурах. Он даже одобрен для использования в пищевых продуктах Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Геллановая камедь в основном используется в качестве гелеобразователя и стабилизатора. Однако он почти никогда не используется отдельно для целей биопечати. ^{[ 1 ]}

Агароза

Агароза – это полисахарид, извлеченный из морских и красных водорослей. Он широко используется в электрофорезе , а также в тканевой инженерии из-за его гелеобразующих свойств. Температуру плавления и гелеобразования агарозы можно изменить химическим путем, что, в свою очередь, улучшает ее пригодность для печати. Идеально иметь биочернила, которые можно модифицировать в соответствии с конкретными потребностями и условиями.

Биочернила на белковой основе

Желатин

Желатин широко используется в качестве биоматериала для инженерных тканей. Образование желатиновых каркасов обусловлено физическими переплетениями цепей материала, который образует гель при низких температурах. Однако при физиологических температурах вязкость желатина существенно падает. Метакрилирование желатина — распространенный подход к изготовлению желатиновых каркасов, которые можно печатать и сохранять точность формы при физиологической температуре. ^{[ 9 ]}

Коллаген

Коллаген – основной белок внеклеточного матрикса клеток млекопитающих. Благодаря этому коллаген обладает тканеподобными физико-химическими свойствами и биосовместимостью. Кроме того, коллаген уже используется в биомедицинских целях. Некоторые исследования, в которых использовался коллаген, касались искусственной ткани кожи, мышечной ткани и даже костной ткани. ^{[ 1 ]}

Синтетические полимеры

Плюроники

Плюроники использовались в печати из-за их уникальных гелеобразующих свойств. ^{[ 10 ]} Ниже физиологической температуры плюроники обладают низкой вязкостью. Однако при физиологических температурах плюроники образуют гель. Однако в образовавшемся геле преобладают физические взаимодействия. Более постоянная сеть на основе плюроника может быть сформирована путем модификации плюроновой цепи акрилатными группами, которые могут быть химически сшиты. ^{[ 11 ]}

ПЭГ

Полиэтиленгликоль (ПЭГ) — синтетический полимер, синтезированный оксида этилена полимеризацией . Это подходящий синтетический материал из-за его адаптируемых, но, как правило, сильных механических свойств. ^{[ 1 ]} К преимуществам ПЭГ также относятся нецитотоксичность и неиммуногенность. Однако ПЭГ биоинертен и его необходимо комбинировать с другими биологически активными гидрогелями.

Другие биочернила

Децеллюляризованный ЕСМ

Биочернила на основе децеллюляризованного внеклеточного матрикса могут быть получены практически из любой ткани млекопитающих. Такие органы, как сердце, мышцы, хрящи, кости и жир, децеллюляризируются, лиофилизируются и измельчаются для создания растворимой матрицы, которую затем можно превратить в гели. ^{[ 12 ]} Эти биочернила обладают рядом преимуществ перед другими материалами, поскольку они получены из зрелой ткани. Они состоят из сложной смеси структурных и украшающих белков ЕСМ, специфичных для их тканевого происхождения, и обеспечивают клеткам тканеспецифичные сигналы. Часто эти биочернила сшиваются посредством термического гелеобразования или химического сшивания, например, с помощью рибофлавина. ^{[ 13 ]} Различные добавки, например GelMA, альгинат, использовались для улучшения печатных свойств децеллюляризованного ЕСМ. ^{[ 14 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Гунгор-Озкерим, Селкан (1 мая 2018 г.). «Биоиннки для 3D-биопечати: обзор» . Биоматериаловедение . 6 (5): 915–946. дои : 10.1039/c7bm00765e . ПМК 6439477 . ПМИД 29492503 .
^ Сяолинь, Цуй; и др. (30 апреля 2020 г.). «Достижения в области экструзионной 3D-биопечати: акцент на многокомпонентных биочернилах на основе гидрогеля». Передовые материалы по здравоохранению . 9 (15): e1901648. дои : 10.1002/adhm.201901648 . ПМИД 32352649 . S2CID 217547329 .
^ Хёльцль, Катя; Линь, Шэнмао; Титгат, Лисбет; Ван Влиерберге, Сандра; Гу, Линься ; Овсяников Александр (23 сентября 2016 г.). «Свойства биочернил до, во время и после 3D-биопечати» . Биофабрикация . 8 (3): 032002. Бибкод : 2016BioFa...8c2002H . дои : 10.1088/1758-5090/8/3/032002 . hdl : 1854/LU-8507720 . ПМИД 27658612 .
^ Гопинатан Дж., Нох И. Последние тенденции в области биочернил для 3D-печати. Биоматер Рез. 22, 11 (2018). https://doi.org/10.1186/s40824-018-0122-1
^ Берналь, Паулина Нуньес; Делрот, Пол; Лотери, Дэмиен; Ли, Ян; Мальда, Джос; Мозер, Кристоф; Левато, Риккардо (2019). «Объемная биопечать сложных конструкций из живых тканей за считанные секунды» . Продвинутые материалы . 31 (42): 1904209. Бибкод : 2019AdM....3104209B . дои : 10.1002/adma.201904209 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 31423698 .
^ Оуян, Лилян (2016). «Влияние свойств биочернил на возможность печати и жизнеспособность клеток при 3D-биопечати эмбриональных стволовых клеток». Биофабрикация . 8 (3): 035020. Бибкод : 2016BioFa...8c5020O . дои : 10.1088/1758-5090/8/3/035020 . ПМИД 27634915 . S2CID 3773951 .
^ Цзя, Цзя (2014). «Инженерный альгинат как биочернила для биопечати» . Акта Биоматериалы . 10 (10): 4323–4331. doi : 10.1016/j.actbio.2014.06.034 . ПМЦ 4350909 . ПМИД 24998183 .
^ Маркстедт, Кайса (2015). «3D-биопечать хондроцитов человека с помощью наноцеллюлозно-альгинатных биочернил для применения в инженерии хрящевой ткани». Биомакромолекулы . 16 (5): 1489–1496. doi : 10.1021/acs.biomac.5b00188 . ПМИД 25806996 .
^ Хох, Ева (2013). «Химическая адаптация желатина для корректировки его химических и физических свойств для функциональной биопечати» . Журнал химии материалов Б. 1 (41): 5675–5685. дои : 10.1039/c3tb20745e . ПМИД 32261191 .
^ Тирнаксиз, Фиген (2005). «Реологические, мукоадгезивные и высвобождающие свойства геля плюроник F-127 и смешанных гелевых систем плюроник F-127 / поликарбофил». Die Pharmazie . 60 (7): 518–23. ПМИД 16076078 .
^ Мюллер, Михаэль (2015). «Наноструктурированные плюроновые гидрогели как биочернила для 3D-биопечати». Биофабрикация . 7 (3): 035006. Бибкод : 2015BioFa...7c5006M . дои : 10.1088/1758-5090/7/3/035006 . ПМИД 26260872 . S2CID 22520236 .
^ Пати, Фалгуни (2014). «Печать трехмерных аналогов тканей с помощью биочернил децеллюляризованного внеклеточного матрикса» . Природные коммуникации . 5 (5): 3935. Бибкод : 2014NatCo...5.3935P . дои : 10.1038/ncomms4935 . ПМК 4059935 . ПМИД 24887553 .
^ Джанг, Джина (2016). «Настройка механических свойств биочернил децеллюляризованного внеклеточного матрикса путем фотосшивки, индуцированной витамином B2». Акта Биоматериалы . 33 : 88–95. doi : 10.1016/j.actbio.2016.01.013 . ПМИД 26774760 .
^ Абачи, Альперен; Гувендирен, Мурат (декабрь 2020 г.). «Разработка биочернил на основе децеллюляризованного внеклеточного матрикса для 3D-биопечати» . Передовые материалы по здравоохранению . 9 (24): e2000734. дои : 10.1002/adhm.202000734 . ISSN 2192-2640 . ПМИД 32691980 . S2CID 220671307 .

[Biolinks_for_3D_bioprinting-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Гунгор-Озкерим, Селкан (1 мая 2018 г.). «Биоиннки для 3D-биопечати: обзор» . Биоматериаловедение . 6 (5): 915–946. дои : 10.1039/c7bm00765e . ПМК 6439477 . ПМИД 29492503 .

[2] Сяолинь, Цуй; и др. (30 апреля 2020 г.). «Достижения в области экструзионной 3D-биопечати: акцент на многокомпонентных биочернилах на основе гидрогеля». Передовые материалы по здравоохранению . 9 (15): e1901648. дои : 10.1002/adhm.201901648 . ПМИД 32352649 . S2CID 217547329 .

[3] Хёльцль, Катя; Линь, Шэнмао; Титгат, Лисбет; Ван Влиерберге, Сандра; Гу, Линься ; Овсяников Александр (23 сентября 2016 г.). «Свойства биочернил до, во время и после 3D-биопечати» . Биофабрикация . 8 (3): 032002. Бибкод : 2016BioFa...8c2002H . дои : 10.1088/1758-5090/8/3/032002 . hdl : 1854/LU-8507720 . ПМИД 27658612 .

[4] Гопинатан Дж., Нох И. Последние тенденции в области биочернил для 3D-печати. Биоматер Рез. 22, 11 (2018). https://doi.org/10.1186/s40824-018-0122-1

[5] Берналь, Паулина Нуньес; Делрот, Пол; Лотери, Дэмиен; Ли, Ян; Мальда, Джос; Мозер, Кристоф; Левато, Риккардо (2019). «Объемная биопечать сложных конструкций из живых тканей за считанные секунды» . Продвинутые материалы . 31 (42): 1904209. Бибкод : 2019AdM....3104209B . дои : 10.1002/adma.201904209 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 31423698 .

[6] Оуян, Лилян (2016). «Влияние свойств биочернил на возможность печати и жизнеспособность клеток при 3D-биопечати эмбриональных стволовых клеток». Биофабрикация . 8 (3): 035020. Бибкод : 2016BioFa...8c5020O . дои : 10.1088/1758-5090/8/3/035020 . ПМИД 27634915 . S2CID 3773951 .

[7] Цзя, Цзя (2014). «Инженерный альгинат как биочернила для биопечати» . Акта Биоматериалы . 10 (10): 4323–4331. doi : 10.1016/j.actbio.2014.06.034 . ПМЦ 4350909 . ПМИД 24998183 .

[8] Маркстедт, Кайса (2015). «3D-биопечать хондроцитов человека с помощью наноцеллюлозно-альгинатных биочернил для применения в инженерии хрящевой ткани». Биомакромолекулы . 16 (5): 1489–1496. doi : 10.1021/acs.biomac.5b00188 . ПМИД 25806996 .

[9] Хох, Ева (2013). «Химическая адаптация желатина для корректировки его химических и физических свойств для функциональной биопечати» . Журнал химии материалов Б. 1 (41): 5675–5685. дои : 10.1039/c3tb20745e . ПМИД 32261191 .

[10] Тирнаксиз, Фиген (2005). «Реологические, мукоадгезивные и высвобождающие свойства геля плюроник F-127 и смешанных гелевых систем плюроник F-127 / поликарбофил». Die Pharmazie . 60 (7): 518–23. ПМИД 16076078 .

[11] Мюллер, Михаэль (2015). «Наноструктурированные плюроновые гидрогели как биочернила для 3D-биопечати». Биофабрикация . 7 (3): 035006. Бибкод : 2015BioFa...7c5006M . дои : 10.1088/1758-5090/7/3/035006 . ПМИД 26260872 . S2CID 22520236 .

[12] Пати, Фалгуни (2014). «Печать трехмерных аналогов тканей с помощью биочернил децеллюляризованного внеклеточного матрикса» . Природные коммуникации . 5 (5): 3935. Бибкод : 2014NatCo...5.3935P . дои : 10.1038/ncomms4935 . ПМК 4059935 . ПМИД 24887553 .

[13] Джанг, Джина (2016). «Настройка механических свойств биочернил децеллюляризованного внеклеточного матрикса путем фотосшивки, индуцированной витамином B2». Акта Биоматериалы . 33 : 88–95. doi : 10.1016/j.actbio.2016.01.013 . ПМИД 26774760 .

[14] Абачи, Альперен; Гувендирен, Мурат (декабрь 2020 г.). «Разработка биочернил на основе децеллюляризованного внеклеточного матрикса для 3D-биопечати» . Передовые материалы по здравоохранению . 9 (24): e2000734. дои : 10.1002/adhm.202000734 . ISSN 2192-2640 . ПМИД 32691980 . S2CID 220671307 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]