3D Baskılı Kılavuzları ve Halka İstifleme Yöntemiyle Engineered Vasküler Greft ölçeklendirme

Özet

Ölçeklenebilir mühendislik kan damarları klinik uygulanabilirliğini artıracaktır. Kolayca büyükçe 3D baskılı kılavuzları kullanarak, damar düz kas halkaları oluşturulan ve bir damar grefti oluşturan, boru şeklinde bir forma yığılmış. Greftler sadece 3D baskılı kılavuz boyutunu değiştirerek insan koroner arter boyutları aralığını karşılamak için büyüklükte olabilir.

Özet

Koroner arter hastalığı milyonlarca Amerikalıya etki, ölüm önde gelen nedenidir. Mevcut otolog vasküler greft eksikliği ile mühendislik greftler hasta tedavisi için büyük bir potansiyel sunmaktadır. Ancak, mühendislik vasküler greftler genellikle kolayca ölçeklenebilir değildir, bir zaman alıcı ve masraflı uygulama oluşturan, farklı boyutlarda özelleştirmek için özel kalıplar veya polimer tüplerin imalatını gerektirir. İnsan arterler yaklaşık 2,0-38 mm ve yaklaşık 0.5-2.5 mm et kalınlığında lümen çapı değişir. Biz bir yöntem yarattık, istenilen hücre tipi doku değişken boyutu yüzük, damar düz kas hücreleri ile Burada gösterilen hangi "Halka İstifleme Metodu," (SMC'lere) olarak adlandırılan, lümen çapı kontrol etmek için merkez mesajların kılavuzları kullanılarak oluşturulabilir ve dış kabukları damar duvar kalınlığı dikte etmek. Bu doku halkaları, sonra bir kan damarının doğal formunu taklit eden, boru şeklinde bir yapı oluşturmak için dizilir. damar uzunluğu olabilir be sadece gerekli uzunlukta teşkil gereken çalma sayısını istifleme uyarlanmış. Bu teknik ile, bir kan damarı benzer boru şeklinde, dokular kolaylıkla klinik ve hastanın gereksinimlerini karşılamak için boyut ve uzunlukları çeşitli imal edilebilir.

Giriş

koroner arter hastalığının (CAD) tedavisinde, hastanın kendi kan damarları bypass greft malzeme olarak toplanır. Ancak, çoğu zaman, hastalar kendilerine bağış uygulanabilir damarları yoktur ve yaptıkları durumlarda, donör saha hatırı sayılır ek zarar ve enfeksiyon için ciddi bir risk vardır. ¹ Engineered vasküler greft bu ihtiyacı doldurmak olabilir. Ölçeklenebilirlik hasta damar boyutu gereksinimleri geniş karşılamak amacıyla mühendislik gemiler için büyük önem taşımaktadır. Ancak, mühendislik gemiler için mevcut yöntemler kolayca ölçeklenebilir değildir ve genellikle karmaşık kalıp ya da polimer iskelelerinin yeniden üretmeyin gerektirir. En greft vasküler fibroblastlar, düz kas, veya endotelyal hücre tohumlanır bir polimer boru şekilli iskele kullanılması da tasarlanmıştır; veya bir mandrel etrafında bir hücre tabakasını haddeleme bir doku tüpü oluşturmak için. Klinik çalışmalarda iki tasarlanmış vasküler greftler decellularize dayanmaktadırd polimer ECM platformu. Vasküler tedavisinde kullanılmak için ^{uygun, 2, 3, 4} Polimer greft önce sürekli bir polimer mevcudiyetinde, bir aşı uzun süreli uygulaması ile önemli bir sorun olarak ortaya çıkabilecek açıklık ile ilgili sorunlar, sahip oldukları bilinmektedir. Boru kalıplar işlemleri çeşitli boyutlarda gemileri üretmek için özel kalıplar için ek bir tasarım ve takım imalat gerektirmektedir ¹³ olan tam hücresel damarları, ^{5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,} imal etmek için kullanılmıştır .

Burada açıklanan yöntem kolayca ölçeklenebilir mühendislik vasküler oluşturmak için yeni bir teknik kapsarözelleştirilebilir 3D baskılı ekler ve geleneksel kültür plakaları kullanılarak greft. ¹⁴ Hücreler merkezi bir mesaj ve dış kabuk ekler ile levhaları içerisine ekilirler. son kontroller çapı lümen ve hücre tek tabaka dokusunun bir halka içine kendini monte sağlar. dış halka kabuk kontrolleri kalınlığı ve son geminin böylece duvar kalınlığı. Tamamlanan doku halkaları daha sonra bir boru şeklinde, damar greft oluşturmak üzere dizilir. Bu yöntemin avantajı, "halkası İstifleme Yöntemi" olarak adlandırılan bir yapışık hücre tipi, basit değiştirme kılavuzu uçlar ile üretilebilir bir plaka ortamında ve doku halkaları ya da arzu edilen bir uygulama için gerekli olan herhangi bir boyut tüplere tohumlanır edilebilmesidir. Doku doku mühendisliği yaratma halkaları Karşılaştırmalı teknikler istenen her boyutu için kalıpların yeniden üretmeyin gerektiren ölçek, ^{15, 16} zor kalır. Buna ek olarak, vasküler greft elde edilebilir, bu yöntem kullanılarak yapılabilecek2-3 hafta içinde d birkaç hafta daha hızlı diğer mühendislik gemilere oranla. ⁶ klinikte için, bu kez fark bir kötüleşen hastanın tedavisinde önemli bir fark yaratabilir.

Protokol

1. Hücre kültürü preparasyonu

1. ticari olarak satın alınan insan aortik düz kas hücreleri kullanmaktadır.
2. % 88,6 oluşan düz kas hücresi büyüme ortamı içinde hücreleri korumak 231 ortam,% 0.1, rekombinant insan insülini (rh-insülin), rekombinant insan fibroblast büyüme faktörü (rh-FGF), rekombinant insan epidermal büyüme faktörü (rh-FGF) her biri, ve askorbik asit; ve% 5 fetal büyükbaş hayvan serumu (FBS) ve L-glutamin, her; ve% 1 antibiyotik / antimikotik.
   NOT: Her büyüme faktörü, FBS ve L-glutamin vasküler medya büyüme kit olarak satın alınır.
3. Değişim Medya hücrelere kadar her 48 saatte yaklaşık% 90 konfluent ve doku ekimi için hazır.
4. genişleme ortam değişiklikleri ile bir kuluçka makinesi içinde deposu hücreleri.

2. 3D Baskılı Ekler ve Özel Silikon hazırlanması kalıplı Tabaklar

1. (Örneğin, Replicator Mini) 3D için plaka ekler baskı ticari bir 3D yazıcı kullanın.
   1. op kullanınkaynak 3 boyutlu tasarım yazılımı tr gibi Blender olarak basılan dış kabukları ve mesajların 3D modeller oluşturmak.
   2. 3D yazıcının yazılımı taşınabilirlik için izin veren bir stl formatında yoluyla modelin sürücü dosyasını dışa aktarın.
   3. 3D yazıcıya yüklenen poli kullanılarak yazdırılan mesajları ve dış kabukları (laktik asit) filaman (PLA) üretin.
   4. baskı takiben, 30 dakikalık her insert sterilize etmek% 70 -100% etanol çözeltisi içinde ıslatın gerçekleştirin.
2. poli (dimetilsiloksan) polimer karışımının (PDMS), silikon polimer taban ve 10 dakika boyunca oda sıcaklığında gaz çıkışına izin vermek için karışım 1:10 sertleştirme ajanı hazırlanır.
   1. petri küçük (35 mm) olarak kullanılır boyutları (60 mm), orta ve büyük (100 mm) tanımlar.
   2. 2 mL, 4 mL ve sırasıyla küçük, orta ve büyük plakaya vulkanize silikon 6 mL ekleyin ve bir petri tüm alt kısmında ince bir tabaka oluşturur.
   3. Bir içine PDMS dökerek küçük bir tabak için mesajları oluşturun7 mm'lik bir yüksekliğe 100 mm levha ve yaklaşık 2-3 saat boyunca 60 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde tedavi sağlar. Sonra silindirik Mesajları dışarı yumruk 5 mm'lik biyopsi yumruk kullanın. Her bir silindir PDMS ve her bir küçük plaka merkezine sabitlemek için vulkanize edilmemiş PDMS az miktarda kullanın.
   4. orta ve büyük tabak için önce, plakanın altındaki PDMS kürünü tamamlayan 3D baskılı mesaj sırasıyla 10 mm ve merkezi her orta ve büyük tabak içine çapı 20 mm, yerleştirmek için. Büyük plakaları için, ayrıca 3D baskılı dış Kabuğu görevinden çap equidistance yaklaşık 66.7 mm yerleştirin.
      1. Her bir tabak, polimerin Gaz çıkışı için 18 saat bırakılarak, yaklaşık 2-3 saat boyunca 60 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde, açık havada bekletilmelidir. Şekil 1 'de görüldüğü gibi, uygun bir bölge ve yönlendirme plakaya baskılı bileşenleri düzeltildi.
   5. Tüm PLA içine 30 dakika süre ile% 30 distile su ile,% 70 etanol içeren bir çözelti eklemesonra sterilizasyon için tes ve her plaka kapsar.
   6. Dikkatle her plaka etanol aspirat ve kurumaya bırakın.
   7. onun kapağı, yüz-up yanında biyolojik güvenlik kabini (BSC) her plakayı düzenleyin. sterilizasyon tamamlamak için 30 dakika boyunca BSC altında, UV ışığına tabak ve kapak Açığa. Steril teknik UV ışınlarına maruz kalan her adım ile yapılır.

Düz kas hücreleri ve Plakaların Bakım ile tohumlama Fibrin Hidrojel 3. hazırlanması,

1. sırasıyla, küçük, orta ve büyük plaka boyutları için 0.5 mL, 1.1 mL 1.81 mL miktarlarda büyüme ortamı +% 0.01, TGF-ß1 ihtiva fibrin jel ihtiva eden bir çözelti karıştırın.
   1. sırasıyla, her küçük, orta ve büyük bir tabak ortama, 100 U / mL bir stok, 40 uL, 88.4 ul trombin 145 uL ekleyin. Yavaşça o trombin eşit medya içinde karıştırılır sağlamak için elle her plaka girdap.
   2. Sonraki, 160 eklemek1; 20 mg, bir stok L 354 uL ve 580 uL fibrinojen / ml, damla damla dairesel trombin ortam karışımı, her bir küçük, orta ve büyük plaka, sırasıyla. Yavaşça düz bir tabaka haline karıştırma ve hidrojel dağılımı sağlamak için elle girdap.
   3. hidrojel, oda sıcaklığında 10-15 dakika bekletilmelidir.
2. Trypsinize düz kas hücreleri, standart protokollere göre, 150 mm'lik bir hücre kültür plakaları ve santrifüj içinde genişletildi. 231 ortam,% 1 FBS ve% 1 antibiyotik / antimikotik - Elde edilen topak% 98 aşağıdakilerden oluşan farklılaşma medya 3 mL içinde yeniden süspansiyon haline edilmelidir.
   1. Şiddetle herhangi bir hücre kümeleri kırmak için 2 ml pipet ile titre ve aşağı hücreleri karıştırın. Bir hemasitometre ile hücre sayımı ve / ml, küçük, orta ve büyük plakalar ile, sırası ile, 2 x 10 ⁶ hücre / mL, 1.0 x 10 ⁷ hücre / ml ile 1.4 x 10 ⁷ hücre, bir hücre süspansiyonu elde.
   2. Her bir hücre süspansiyonu int 1 ml ekleyinoa 50 ml konik karşılık, küçük, orta ve büyük etiketli. İstenen her ek doku halka için bu şekilde ilave bir 50 ml konik ayarlayın.
   3. sırasıyla, her küçük, orta ve büyük gemi için 2 mL, 4 mL, 5 mL nihai tohumlama hacimleri için, her konik farklılaşma ortam ekleyin. Sonra, dikkatle damla damla her gelen plaka Hazırlanan hidrojel üstüne hücre çözümü pipetlemeyin.
   4. 37 ° C'de kuluçka% 5 _CO2 içinde yer plakalar.
3. Değişim farklılaşma medya her plaka için her 48-72 saat. daha büyük bir plaka halinde, o zaman, ilk olarak, 24 saat sonra ortam değiştirme büyük hücreli tohum ekme yoğunluğu telafi etmek için bunu her 48-24 saatte bir değiştirin.
   1. halkaları gibi 2-4 gün tümüyle yazılan doğru daralan olacak sonra, sırasıyla, her küçük, orta ve büyük bir halka 10 uL, 20 uL ve TGF-ß1 35 ul ekle. TGF-p maruz bırakıldıktan sonra1; en az 24 saat süre ile, halka ele hazırdır.

Vasküler Construct ve Bakım 4. Meclis

1. Nihai vasküler yapı imalatı önce özel bir kap tamamlanmış gemi tutmak için oluşturulur.
   1. Küçük gemi için, 50 ml polikarbonat konik tüp üst kapalı 2-inç bölümünü keserek halka istifleme için uzun boylu bir tabak oluşturun ve sonra PDMS 35 mm tabak içine kesme kenarı tutkal. plaka kapak olarak konik kapağı kullanın.
   2. plakaları istifleme orta ve büyük damar uzun ring, uzunlamasına uzun plaka duvarları olarak hizmet 2.5 inç bölüme 1.75-inç çaplı polikarbonat tüp kesti. uzun boylu plaka dipleri için, 2-inç çaplı daire parçalar halinde 0.125 inç kalınlığında polikarbonat levha kesti. Akrilik çözücü çimento kullanarak, dairesel kesme parçasına polikarbonat tüp bölümü bağlarlar. uzun boylu plaka için kapaklı olarak 60 mm petri kapağını kullanın.
   3. 3D pRint mesaj 5, çapı 10 mm ve 20 mm uzunluğunda ve 50 mm.
   4. Her kaba sertleştirilmemiş silikon 10 ml ekleyin. Önceki PDMS tam kür merkezi her küçük, orta ve büyük kabın içine adım 4.1.3 oluşturulan her yazı yerleştirin.
   5. 2-3 saat boyunca 60 ° C'ye kadar bir sıcak plaka kümesi bekletilmelidir.
   6. 30 dakika boyunca% 30 distile su ile,% 70 etanol içindeki bir çözeltisi ile sterilize edin.
   7. Dikkatle her konteyner etanol aspirat ve sonra BSC kurumaya bırakın. Sonra, onun kapağı, yüz-up yanına yerleştirilen her plaka ile kaputun kapları düzenlemek. daha sterilizasyon için 30 dakika daha BSC altında UV ışığı konteyner Açığa. UV ışınlarına maruz kalan her adımda steril tekniği kullanın.
2. Çok ince forseps kullanarak, dikkatli bir şekilde yazılan her sıkıca rulo düz kas hidrojel halkasını çıkarın ve uzun boylu mesajlar ile karşılık gelen büyük kabına aktarın.
   1. bir çift kullanınher el forseps ve görevinden halka bir tarafı kaldırın ve daha sonra diğer. korumak ve lümen korumak için dikkatli olun.
   2. uzun boylu yazılan üzerine ilk bir tarafı, halka sonra diğer tarafını sürgülü, bu iki elle yöntemi ile transferi gerçekleştirin. nazik, kademeli hareketleri kullanarak, ve çevresel çalışma, yavaş yavaş uzun yazı üzerine aşağı halka itin. İstenen damar uzunluğu ve her bir halka tamamlanmış yapısına uzunluğunun yaklaşık 1-2 mm ekleyerek elde edilene kadar sonra, doku halkaları yığını.
3. sonrası çalışma yüzeyi ile paralel olacak şekilde uzun boylu 3D baskılı yazılarda konumlandırılmış halka yığını ile, plaka çevirin.
   1. Mikropipet kullanılarak, sırasıyla, her küçük, orta ve büyük bir geminin dış yüzeyine hafifçe 100 U / ml bir konsantrasyonda trombinin 40, 80 ve 160 uL ilave edin. trombin eklerken, yavaş yavaş yapısının tüm yüzeylerin kapsama bile emin olmak için plakayı döndürün.Bu inşaat sonrası ilk günlerde halka yığını yapı güvenliğini sağlamak için kullanılan fibrin yapıştırıcı için üs olacak.
   2. Daha sonra, hızlı bir şekilde yapı dönerken bir mikropipet kullanılarak, sırasıyla, her küçük, orta ve büyük yapısına 20 mg / mL'lik bir konsantrasyonda fibrinojen 40, 80 ve 160 uL ilave edin. Trombin ve fibrinojen hızla kez karışık bir firma jele ayarlayın. Nedeniyle kısa sertleşme süresi, mümkün olduğu kadar çabuk ve eşit fibrinojen uygulayın.
4. yapıyı tutan her kaba farklılaşma medya 20 mL ekleyin. 37 ° C inkübatör içine yerleştirin damarları kadar gerekli. Her 3-5 gün medya değiştirin.

Sonuçlar

Burada gösterilen Halka İstifleme Yöntemi (RSM) ölçeklenebilir olduğunu gösteren, 3 farklı mühendislik damar greft boyutları (Şekil 1) uydurma. Uygulanabilirliğini ispat etmek için, 3 farklı damar boyutları sol ön inen arter için gerçek insan damar boyutuna korelasyonu seçilmiş (küçük; çaplı lümen = 4 mm) ¹⁷ (orta; çap lümen = 10 mm) inen aorta ve çıkan aort (büyük; lümen çapı = 20 mm) ^18....

Tartışmalar

Halka İstifleme Metodu mevcut vasküler doku mühendisliği yapı teknikleri üzerinde birden fazla avantaj sunuyor. RSM sadece yazılan ve dış kabuk boyutları özelleştirerek her boyutta insan damarları oluşturmak için adapte edilebilir. Bizim yöntemi, yalnızca insan hücreleri ve hızla vücudun doğal yara iyileşme sürecine bulundu destek malzemesi aşağılayıcı oluşan polimer serbest mühendislik damarların gelişimi için izin verir. Polimer greft klinikte restenoz neden olduğu bilinmektedir ve m?...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Human Aortic Smooth Muscle Cells	ATCC	PCS-100-012	vascular smooth muscle cells
Medium 231	Gibco (Life Technologies	M-231-500	media specific to vascular smooth muscle cells
Human Aortic Smooth Muscle Cell Growth Kit	ATCC	PSC-100-042	growth factors for maintaining vascular smooth muscle cell viability
Replicator Mini 3D printer	MakerBot	N/A	3D printer
Poly(lactic acid) 3D ink (PLA)	MakerBot	N/A	3D printer filament
Poly(dimethlysiloxane) (PDMS)	Ellworth Adhesives	3097358-1004	polymer for gluing plate parts
Fibrinogen	Hyclone Labratories, Inc.	SH30256.01	fibrin gel component
Thrombin	Sigma Life Sciences	F3879-5G	fibrin gel component
Tranforming Growth Factor-Beta 1	PeproTech	100-21	growth factor for stimulating collagen production
Hemocytometer	Hausser Scientific Co.	3200	for cell counting
Polycarbonate tubing	US Plastics	PCTUB1.750X1.625	material for making tall, ring stacking plates
Polycarbonate sheet	Home Depot	409497	material for making tall, ring stacking plates
Adhesive polymer solvent	SCIGRIP	10799	material for making tall, ring stacking plates
Instron 5940	Instron	N/A	tensile testing machine
U-Stretch	Cell Scale	N/A	tensile testing machine
Smooth Muscle Actin	MA5-11547	Thermo Fisher	antibody
Tropomyosin	MA5-11783	Thermo Fisher	antibody