Name: bioprinting cellularized constructs using a tissue-specific hydrogel bioink
Uploaded: 2016-04-21T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink at JoVE.com

والكتاب الامتنان التمويل من قبل وكالة خفض التهديد الدفاع (اثناء اجتماع السلطة) تحت الفضاء والأنظمة البحرية الحروب مركز المحيط الهادئ (SSC PACIFIC) العقد رقم N6601-13-C-2027. لا يشكل نشر هذه المواد موافقة الحكومة للنتائج أو استنتاجات هنا.

1. هيدروجيل Bioink صياغات والتحضير <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> من أجل تقديم لمحات الحيوية أنسجة محددة، وإعداد الأنسجة محددة ECM هضم الحلول كما هو موضح سابقا للكبد. 20 ملاحظة: بشكل عام، وهذا ECM هضم تشكل 40٪ من حجم bioink هيدروجيل النهائي الذي يعمل. ...

هناك العديد من المكونات التي تعتبر حاسمة في الاعتبار عند محاولة biofabricate 3-D بنيات الأنسجة، لاستخدامها في نهاية المطاف في البشر أو في المختبر تطبيقات الفرز. توظيف المكونات الخلوية المناسبة يحدد وظيفة محتملة نهاية، في حين أن جهاز biofabrication نفسه يحدد منهجية عامة للوص?...

في السنوات الأخيرة، أصبحت مجموعة متنوعة من التقنيات المتاحة التي تتناول الحاجة إلى مصادر بديلة للأعضاء وأنسجة وظيفية من خلال السعي لتصنيع، أو biofabricate، لهم. وقد برزت Bioprinting باعتبارها واحدة من أكثر واعدة من هذه التقنيات. Bioprinting يمكن النظر إليها على أنها شكل من أشكال تلفيق المضافة الروبوتية قطع البيولوجية، والتي يمكن استخدامها لبناء أو نمط قابل للتطبيق الهياكل الجهاز تشبه أو الأنسجة تشبه في 3 أبعاد. (1) في معظم الحالات، bioprinting توظف 3-الأبعاد (3 -D) جهاز الطباعة التي يتم توجيهها بواسطة جهاز كمبيوتر لإيداع الخلايا والحيوية في مواقع محددة، وبالتالي تلخص تشريحيا-يقلد أبنية الفسيولوجية. 2 هذه الأجهزة طباعة &quot;bioink&quot;، والتي يمكن أن تتخذ شكل مجاميع الخلايا، والخلايا مغلفة في الهلاميات المائية أو سوائل لزجة، أو ناقل دقيق خلايا المصنف، وكذلك البوليمرات خالية من الخلايا التي توفر هيكل ميكانيكي أو بمثابة جيش التحرير الشعبى الصينى خالية من الخلاياceholders. 3،4 في أعقاب عملية bioprinting، وهيكل الناتج يمكن نضجت في هياكل النسيج أو العضو وظيفية، واستخدامها لتطبيق نهاية المعد له. 5،6 وحتى الآن، لم يتم طباعتها جهاز بحجم الإنسان تعمل بكامل طاقتها كاملة، ولكن يبقى الهدف الرئيسي على المدى الطويل bioprinting البحث والتطوير. 2 ومع ذلك، على نطاق صغير يجري تنفيذ &quot;عضي&quot; يبني أنسجة حاليا في عدد من التطبيقات، بما في ذلك النمذجة علم الأمراض، وتطوير الأدوية، وفحص السموم. واحدة من العقبات الرئيسية التي واجهت الباحثين في مجال تطبيق تكنولوجيا bioprinting هو أن عدد قليل جدا من المواد قد وضعت لغرض واضح وهو bioprinting. أن تنجح بشكل فعال في bioprinting، يجب أن مادة بيولوجية تلبية 4 المتطلبات الأساسية. وبيولوجية تحتاج الى 1) الخواص الميكانيكية المناسبة لتمكين ترسب (سواء كان ذلك البثق من خلال فوهة كما هلام أو طnkjet كما قطرات)، 2) القدرة على الاحتفاظ بشكلها كعنصر من عناصر هيكل 3-D بعد الترسيب، 3) القدرة على التحكم المستخدم من الخصائص السابقة 2 و 4) صديقة للبيئة وداعمة خلية في كل مراحل الإجراء bioprinting 7 تاريخيا، bioprinting العمل وكثيرا ما حاولت أن توظف الحيوية التقليدية الموجودة في أجهزة bioprinting دون النظر لمدى توافقها، بدلا من تصميم مادة بيولوجية لديها خصائص اللازمة لbioprinting وتطبيقات ما بعد الطباعة اللاحقة. وقد وضعت مجموعة متنوعة من bioinks مؤخرا إلى واجهة أفضل مع الأجهزة ترسب وتلفيق. نظم هيدروجيل القياسية تثير مشاكل كبيرة لأنها موجودة عموما إما السلائف حلول السوائل مع خصائص ميكانيكية كافية، أو الهلاميات المائية بلمرة أنه إذا المطبوعة يمكن أن تسد فوهات أو تصبح تفككت على عملية قذف. فريق العمل لدينا، وكذلك تنقية المياهالتمرير، واستكشفت الصيغ المختلفة هيدروجيل لمعالجة هذه المشاكل bioprinting، بما في ذلك الطباعة خلية كروي إلى ركائز هيدروجيل، 5،8 الخلية وخيوط هيدروجيل قذف من الأنابيب microcapillary، 9-11 extrudable حمض الهيالورونيك (HA) الهلاميات المائية جسيمات متناهية الصغر -gold مع خصائص ديناميكية يشابك 12 مراقبة الزمنية للصلابة هيدروجيل باستخدام photopolymerizable methacrylated HA والجيلاتين، 13 يشابك أساس الفيبرينوجين-الثرومبين، 14،15 التبادل الأيوني المواد الهلامية الجينات الكولاجين و 16 و مؤخرا تبلمر السريع الأشعة فوق البنفسجية (UV) يشابك -initiated، 17 هذه الأمثلة توضح جدوى من المواد التي يمكن أن تولد من قبل bioprinted على نحو فعال. ومع ذلك، بالإضافة إلى التكامل مع الأجهزة، لتوليد بنجاح يبني أنسجة 3-D قابلة للحياة وظيفية، يجب الحيوية تحتوي على منبهات الكيميائية الحيوية والميكانيكية التي تساعد في الحفاظ على الخلويسلامة وظيفة. هذه العوامل الإضافية، وملامح الكيمياء الحيوية والميكانيكية، يمكن أن يكون لها تأثير كبير على وظيفة ناجحة ليبني أنسجة bioprinted. كل من الخلايا والمصفوفة خارج الخلية الأم (ECM) هي المسؤولة عن تقديم مجموعة واسعة من الجزيئات يشير مثل عوامل النمو وغيرها من السيتوكينات إلى خلايا أخرى. الجمع بين هذه الإشارات تختلف من الأنسجة إلى الأنسجة، ولكن يمكن أن تكون فعالة للغاية ومؤثر في تنظيم الخلايا والأنسجة السلوك. 18 توظيف مكونات ECM الأنسجة محددة من الأجهزة المختلفة وتنفيذ كما هيدروجيل أو كجزء من هيدروجيل تم استكشافها مع نجاح 19-21 هذا النهج، الذي يتألف من decellularizing نسيج معين، تحطيم ذلك، وحلها، ويمكن استخدامها لإنتاج الإشارات البيوكيميائية الأنسجة محددة من أي نوع من الأنسجة، ويمكن إدراجها في 3-D بنيات هيدروجيل 22 بالإضافة إلى،تم توثيقه على نطاق واسع أن الأنسجة في الجسم تحتل مجموعة واسعة من التصلب. 23 وعلى هذا النحو، والقدرة على ضبط الخواص الميكانيكية للمواد حيوية، مثل مرونة معامل E &#39;أو القص مرونة معامل G&#39;، هو أداة مفيدة في هندسة الأنسجة . كما هو موضح أعلاه، السيطرة على الخواص الميكانيكية bioink تسمح biofabrication القائم على قذف باستخدام هلام لينة، والتي يمكن بعد ذلك التلاعب مزيد من يشابك الثانوي في مرحلة لاحقة، والذي لا يمكن أن يتحقق مستويات معامل مرنة أن يتطابق مع نوع الجهاز المستهدف. على سبيل المثال، يمكن تخصيص المواد الحيوية لتتناسب مع صلابة من 5-10 كيلو باسكال مثل الكبد الأصلي، 23 أو تتطابق مع صلابة من 10-15 كيلو باسكال مثل الأنسجة القلبية الأم، 24،25 في نظرية زيادة قدرة هذه organoids للعمل في بطريقة مماثلة لنظرائهم الأنسجة الأصلية الخاصة بهم. وكان تأثير صلابة البيئية على النمط الظاهري خلية إكسبlored في السنوات الأخيرة، وخاصة فيما يتعلق الخلايا الجذعية. أظهرت إنجلر وآخرون أن مرونة الركيزة ساعد في قيادة الخلايا الجذعية الوسيطة (MSC) نحو الأنساب مع مرونة الأنسجة مطابقة أن الركيزة. 25 هذا المفهوم قد مواصلة استكشاف للتمايز في العضلات، وظيفة القلب، والنمط الظاهري الكبد، الجذعية المكونة للدم تكاثر الخلايا ، والحفاظ على الإمكانات العلاجية للخلايا الجذعية. 24،26-29 أن تكون قادرة على ضبط هيدروجيل إلى الرجوعية المرنة المختلفة هو سمة هامة من مادة بيولوجية التي سيتم استخدامها لbiofabricate بنيات الأنسجة. 30 نحن هنا وصف البروتوكول الذي يمثل نهج متعدد الاستعمالات يستخدم في مختبرنا لصياغة نظام هيدروجيل التي يمكن قذف bioprinted، ومصممة خصيصا ل1) تحتوي على الشخصية الكيمياء الحيوية من نوع الأنسجة معين و 2) تقليد معامل مرونة من هذا النوع الأنسجة . من خلال معالجة هذه الاحتياجات، ونحن نهدف إلى provide المواد التي يمكن تلخيص الخصائص الفيزيائية والبيولوجية في الجسم الحي الأنسجة. 31 نظام مركب هيدروجيل حدات الموصوفة هنا يستفيد من نهج يشابك متعددة لانتاج bioinks extrudable، ويسمح يشابك الثانوي لتحقيق الاستقرار ويزيد من تصلب المنتجات النهائية لمباراة مجموعة واسعة من أنواع الأنسجة. والتقى التخصيص الكيمياء الحيوية باستخدام مكونات ECM الأنسجة محددة. كما مظاهرة، ونحن توظيف مجموعة متنوعة الكبد محددة من هذا النظام هيدروجيل إلى bioprint الكبد وظيفي يبني عضي. يستخدم بروتوكول صفها مخصص 3-D جهاز bioprinting. بشكل عام، هذا البروتوكول يمكن تكييفها لمعظم الطابعات القائم على قذف، والمعلمات الطباعة محددة تختلف بشكل كبير لكل نوع من الجهاز وتتطلب اختبار من قبل المستخدم.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="903">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Hyaluronic acid</td>
			<td style="width:108px;">Sigma</td>
			<td style="width:119px;">53747</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Gelatin</td>
			<td style="width:108px;">Sigma</td>
			<td style="width:119px;">G6144</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">2-Hydroxy-4&#8242;-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td>
			<td style="width:108px;">Sigma</td>
			<td style="width:119px;">410896</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:340px;">Hyaluronic acid and gelatin hydrogel kit (HyStem-HP)</td>
			<td style="width:108px;">ESI-BIO</td>
			<td style="width:119px;">GS315</td>
			<td style="width:336px;">Kit contains the components Heprasil (thiolated and heparinized hyaluronic acid), Gelin-S (thiolated gelatin), and Extralink (PEGDA)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:340px;">PEG 8-Arm Alkyne, 10 kDa</td>
			<td style="width:108px;">Creative PEGWorks</td>
			<td>PSB-887</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:340px;">Primary human hepatocytes</td>
			<td style="width:108px;">Triangle Research Labs</td>
			<td>HUCPM6</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Primary human liver stellate cells</td>
			<td style="width:108px;">ScienCell</td>
			<td style="width:119px;">5300</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:340px;">Primary human Kupffer cells</td>
			<td style="width:108px;">Life Technologies</td>
			<td style="width:119px;">HUKCCS</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Hepatocyte Basal Media (HBM)</td>
			<td style="width:108px;">Lonza</td>
			<td style="width:119px;">CC-3199</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="126">
			<td height="126" style="height:126px;width:340px;">Hepatocyte Media Supplement Kit</td>
			<td style="width:108px;">Lonza</td>
			<td style="width:119px;">CC-3198</td>
			<td style="width:336px;">HCM SingleQuot Kits (contains ascorbic acid, 0.5mL; bovine serum albumin [fatty acid free], 10 mL; gentamicin sulfate/amphotericin B, 0.5mL; hydrocortisone 21-hemisuccinate, 0.5 mL; insulin, 0.5 mL; human recombinant epidermal growth factor, 0.5 mL; transferring, 0.5 mL)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Triton X-100</td>
			<td style="width:108px;">Sigma</td>
			<td style="width:119px;">T9284</td>
			<td style="width:336px;">Other manufacturers are ok.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:340px;">Ammonium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Fischer Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A669</td>
			<td style="width:336px;">Other manufacturers are ok.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Fresh porcine cadaver tissue</td>
			<td style="width:108px;">n/a</td>
			<td style="width:119px;">n/a</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Lyophilizer</td>
			<td style="width:108px;">any</td>
			<td style="width:119px;">n/a</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Freezer mill</td>
			<td style="width:108px;">any</td>
			<td style="width:119px;">n/a</td>
			<td style="width:336px;"></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:340px;">Bioprinter</td>
			<td style="width:108px;">n/a</td>
			<td style="width:119px;">n/a</td>
			<td style="width:336px;">The bioprinter described herein was custom built in-house. In general, other devices are adequate provided they support computer controlled extrusion-based printing of hydrogel materials.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:340px;">Hanging drop cell culture plate</td>
			<td style="width:108px;">InSphero</td>
			<td>CS-06-001</td>
			<td style="width:336px;">InSphero GravityPlus 3D Culture Platform</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

bioprinting cellularized constructs using a tissue-specific hydrogel bioink

Bioprinting has emerged as a versatile biofabrication approach for creating tissue engineered organ constructs. These constructs have potential use as organ replacements for implantation in patients, and also, when created on a smaller size scale as model "organoids" that can be used in in vitro systems for drug and toxicology screening.
Despite development of a wide variety of bioprinting devices, application of bioprinting technology can be limited by the availability of materials that both expedite bioprinting procedures and support cell viability and function by providing tissue-specific cues. Here we describe a versatile hyaluronic acid (HA) and gelatin-based hydrogel system comprised of a multi-crosslinker, 2-stage crosslinking protocol, which can provide tissue specific biochemical signals and mimic the mechanical properties of in vivo tissues. 
Biochemical factors are provided by incorporating tissue-derived extracellular matrix materials, which include potent growth factors. Tissue mechanical properties are controlled combinations of PEG-based crosslinkers with varying molecular weights, geometries (linear or multi-arm), and functional groups to yield extrudable bioinks and final construct shear stiffness values over a wide range (100 Pa to 20 kPa). Using these parameters, hydrogel bioinks were used to bioprint primary liver spheroids in a liver-specific bioink to create in vitro liver constructs with high cell viability and measurable functional albumin and urea output. This methodology provides a general framework that can be adapted for future customization of hydrogels for biofabrication of a wide range of tissue construct types.

عندما يتم اتباع الإجراءات المذكورة أعلاه بشكل صحيح، يجب أن تحتوي الهلاميات المائية لمحة البيوكيميائية محددة لنوع النسيج المستهدف، 20 تسمح للحصول على درجة عالية من السيطرة على bioprinting ومعامل المرونة النهائي، 34 ودعم خلايا وظيفية قابلة للح...

Watch this Scientific Journal Video about Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink at JoVE.com

Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink

Bioprinting Cellularized التركيبات باستخدام الأنسجة محددة هيدروجيل Bioink

نحن تصف مجموعة من البروتوكولات التي توفر معا bioink هيدروجيل-محاكاة الأنسجة التي يبني أنسجة 3-D وظيفية وقابلة للحياة ويمكن bioprinted لاستخدامها في تطبيقات في المختبر فحص.

Bioprinting has emerged as a versatile biofabrication approach for creating tissue engineered organ constructs. These constructs have potential use as ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

التوليف من البروتين الاصطناعي Intein بوساطة هيدروجيل

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Viability of Bioprinted Cellular Constructs Using a Three Dispenser Cartesian Printer

جدوى Bioprinted الخلوية التركيبات باستخدام طابعة ثلاثة الديكارتية موزع

Tissue engineering has centralized its focus on the construction of replacements for non-functional or damaged tissue. The utilization of ...

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization

بيوبرينتينج الغضاريف والجلد الأنسجة النظير استخدام سلبية رواية خلط وحدة تقنية بريسيلولاريزيشن بيوينك

Bioprinting is a powerful technique for the rapid and reproducible fabrication of constructs for tissue engineering applications. In this study, both ...

Pancreatic Tissue-Derived Extracellular Matrix Bioink for Printing 3D Cell-Laden Pancreatic Tissue Constructs

البنكرياس المشتقة الانسجه المستمدة مصفوفة بيونك للطباعة 3D خلايا البنكرياس لادن الانسجه يبني

The transplantation of pancreatic islets is a promising treatment for patients who suffer from type 1 diabetes accompanied by hypoglycemia and secondary ...

Protocols of 3D Bioprinting of Gelatin Methacryloyl Hydrogel Based Bioinks

بروتوكولات 3D بيوريتينغ من الجيلاتين ميثاكريلويل هيدروجيل القائم علي الحيوية

Gelatin methacryloyl (GelMA) has become a popular biomaterial in the field of bioprinting. The derivation of this material is gelatin, which is hydrolyzed ...

Using Multilayered Hydrogel Bioink in Three-Dimensional Bioprinting for Homogeneous Cell Distribution

باستخدام متعدد الطبقات Hydrogel Bioink في الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد لتوزيع الخلايا المتجانسة

During the extrusion-based three-dimensional bioprinting process, liquid-like bioinks with low viscosity can protect cells from membrane damage induced by ...

3D Bioprinting of Murine Cortical Astrocytes for Engineering Neural-Like Tissue

الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد للخلايا الفلكية القشرية لمورين للأنسجة الهندسية الشبيهة بالعصبية

Astrocytes are glial cells with an essential role in the central nervous system (CNS), including neuronal support and functionality. These cells also ...

Preparation and Characterization of Graphene-Based 3D Biohybrid Hydrogel Bioink for Peripheral Neuroengineering

إعداد وتوصيف الحبر الحيوي الهجين الحيوي 3D القائم على الجرافين للهندسة العصبية الطرفية

Peripheral neuropathies can occur as a result of axonal damage, and occasionally due to demyelinating diseases. Peripheral nerve damage is a global ...

Gelatin Methacryloyl Granular Hydrogel Scaffolds: High-throughput Microgel Fabrication, Lyophilization, Chemical Assembly, and 3D Bioprinting

سقالات هيدروجيل الحبيبية الجيلاتين ميثاكريلويل: تصنيع ميكروجيل عالي الإنتاجية ، التجفيد ، التجميع الكيميائي ، والطباعة الحيوية 3D

The emergence of granular hydrogel scaffolds (GHS), fabricated via assembling hydrogel microparticles (HMPs), has enabled microporous scaffold formation ...

Phototunable Bioprinted Hydrogels to Probe Cellular Responses to ECM Stiffening

3D Bioprinting Phototunable Hydrogels to Study Fibroblast Activation

Understanding Chronic Lung Diseases Using 3D Printed Phototunable Hydrogels (Video) | JoVE

3D Bioprinting الهلاميات المائية الضوئية لدراسة تنشيط الخلايا الليفية

Phototunable hydrogels can transform spatially and temporally in response to light exposure. Incorporating these types of biomaterials in cell-culture ...