Name: three-dimensional patterning of engineered biofilms with a do-it-yourself bioprinter
Uploaded: 2019-05-16T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter at JoVE.com

وكان هذا العمل مدعوما بمنحه من الأرض (رقم FA2386-4059) ، المنظمة الهولندية للبحوث العلمية (NWO/أؤبن كورس واير) كجزء من برنامج افاق العلوم النانويه ، وبرنامج المواد المتقدمة NWO-NSFC (رقم 729.001.016). ويعترف المؤلفون بالمساعدة المختبرية لرامون فان دير فألك ورولان Kieffer.

1. تحويل طابعه 3D تجاريه إلى 3D بيوركانتر
<ol><li>أزاله الطارد وسخان الطابعة التجارية 3D (جدول المواد) من اطار الطابعة ، وافصل الأسلاك السيطرة علي هذه العناصر من لوحه الدوائر الرئيسية (الشكل 1a). وبما ان جهاز الاستشعار الذي يتحكم في درجه حرارة التشغيل في الطابعة يحتاج إلى ...

<ol>
	<li>Tibbitt, M. W., Rodell, C. B., Burdick, J. A., Anseth, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+in+material+design+for+biomedical+applications.">Progress in material design for biomedical applications.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (47), 14444-14451 (2015).</li><li>Schmieden, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printing+of+Patterned,+Engineered+E.+coli+Biofilms+with+a+Low-Cost+3D+Printer.">Printing of Patterned, Engineered E. coli Biofilms with a Low-Cost 3D Printer.</a> ACS Synthetic Biology. 7 (5), 1328-1337 (2018).</li><li>Mao, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+nacre+by+predesigned+matrix-directed+mineralization.">Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization.</a> Science. 354 (6308), 107-110 (2016).</li><li>Gao, H. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+production+of+bulk+artificial+nacre+with+excellent+mechanical+properties.">Mass production of bulk artificial nacre with excellent mechanical properties.</a> Nature Communications. 8 (1), 287 (2017).</li><li>Poirier, Y., Nawrath, C., Somerville, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Polyhydroxyalkanoates,+a+Family+of+Biodegradable+Plastics+and+Elastomers,+in+Bacteria+and+Plants.">Production of Polyhydroxyalkanoates, a Family of Biodegradable Plastics and Elastomers, in Bacteria and Plants.</a> Nature Biotechnology. 13, 142-150 (1995).</li><li>Choi, S. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-step+fermentative+production+of+poly(lactate-co-glycolate)+from+carbohydrates+in+Escherichia+coli.">One-step fermentative production of poly(lactate-co-glycolate) from carbohydrates in Escherichia coli.</a> Nature Biotechnology. 34 (4), 435-440 (2016).</li><li>Mohammadi, P., Toivonen, M. S., Ikkala, O., Wagermaier, W., Linder, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aligning+cellulose+nanofibril+dispersions+for+tougher+fibers.">Aligning cellulose nanofibril dispersions for tougher fibers.</a> Scientific Reports. 7 (1), 11860 (2017).</li><li>Jonkers, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacteria-based+self-healing+concrete.">Bacteria-based self-healing concrete.</a> Heron. 56 (1/2), (2011).</li><li>Schmieden, D. T., Meyer, A. S., Aubin-Tam, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+bacteria+to+make+improved,+nacre-inspired+materials.">Using bacteria to make improved, nacre-inspired materials.</a> MRS Advances. 1 (8), 559-564 (2016).</li><li>Zhong, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strong+underwater+adhesives+made+by+self-assembling+multi-protein+nanofibres.">Strong underwater adhesives made by self-assembling multi-protein nanofibres.</a> Nature Nanotechnology. 9 (10), 858-866 (2014).</li><li>Chen, A. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+patterning+of+tunable+multiscale+materials+with+engineered+cells.">Synthesis and patterning of tunable multiscale materials with engineered cells.</a> Nature Materials. 13 (5), 515-523 (2014).</li><li>Gatenholm, P., Klemm, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bacterial+Nanocellulose+as+a+Renewable+Material+for+Biomedical+Applications.">Bacterial Nanocellulose as a Renewable Material for Biomedical Applications.</a> MRS Bulletin. 35, 208-213 (2010).</li><li>Rodriguez-Carmona, E., Villaverde, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructured+bacterial+materials+for+innovative+medicines.">Nanostructured bacterial materials for innovative medicines.</a> Trends in Microbiology. 18 (9), 423-430 (2010).</li><li>Hung, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Escherichia+coli+biofilms+have+an+organized+and+complex+extracellular+matrix+structure.">Escherichia coli biofilms have an organized and complex extracellular matrix structure.</a> MBio. 4 (5), (2013).</li><li>Donlan, R. M., Costerton, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilms:+Survival+Mechanisms+of+Clinically+Relevant+Microorganisms.">Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms.</a> Clinical Microbiology Reviews. 15 (2), 167-193 (2002).</li><li>Wu, H., Moser, C., Wang, H. Z., Hoiby, N., Song, Z. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strategies+for+combating+bacterial+biofilm+infections.">Strategies for combating bacterial biofilm infections.</a> International Journal of Oral Science. 7 (1), 1-7 (2015).</li><li>Stewart, P. S., Franklin, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+heterogeneity+in+biofilms.">Physiological heterogeneity in biofilms.</a> Nature Reviews Microbiology. 6 (3), 199-210 (2008).</li><li>Kikuchi, T., Mizunoe, Y., Takade, A., Naito, S., Yoshida, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Curli+Fibers+Are+Required+for+Development+of+Biofilm+Architecture+in+Escherichia+coli+K-12+and+Enhance+Bacterial+Adherence+to+Human+Uroepithelial+Cells.">Curli Fibers Are Required for Development of Biofilm Architecture in Escherichia coli K-12 and Enhance Bacterial Adherence to Human Uroepithelial Cells.</a> Microbiology and Immunology. 49 (9), 875-884 (2005).</li><li>Cranford, S., Buehler, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materiomics:+biological+protein+materials,+from+nano+to+macro.">Materiomics: biological protein materials, from nano to macro.</a> Nanotechnology, Science and Applications. 3, 127-148 (2010).</li><li>Lehner, B. A. E., Schmieden, D. T., Meyer, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Straightforward+Approach+for+3D+Bacterial+Printing.">A Straightforward Approach for 3D Bacterial Printing.</a> ACS Synthetic Biology. 6 (7), 1124-1130 (2017).</li><li>Wang, X., Smith, D. R., Jones, J. W., Chapman, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+polymerization+of+a+functional+Escherichia+coli+amyloid+protein.">In vitro polymerization of a functional Escherichia coli amyloid protein.</a> Journal of Biological Chemistry. 282 (6), 3713-3719 (2007).</li><li>Hammar, M., Bian, Z., Normark, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nucleator-dependent+intercellular+assembly+of+adhesive+curli+organelles+in+Escherichia+coli.">Nucleator-dependent intercellular assembly of adhesive curli organelles in Escherichia coli.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (13), 6562-6566 (1996).</li><li>Huang, Y. J., Xia, A. G., Yang, G., Jin, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioprinting+Living+Biofilms+through+Optogenetic+Manipulation.">Bioprinting Living Biofilms through Optogenetic Manipulation.</a> ACS Synthetic Biology. 7 (5), 1195-1200 (2018).</li><li>Jin, X. F., Riedel-Kruse, I. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofilm+Lithography+enables+high-resolution+cell+patterning+via+optogenetic+adhesin+expression.">Biofilm Lithography enables high-resolution cell patterning via optogenetic adhesin expression.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (14), 3698-3703 (2018).</li><li>Stewart, P. S., Franklin, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+heterogeneity+in+biofilms.">Physiological heterogeneity in biofilms.</a> Nature Reviews Microbiology. 6 (3), 199-210 (2008).</li><li>Percival, S. L., Suleman, L., Vuotto, C., Donelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Healthcare-associated+infections,+medical+devices+and+biofilms:+risk,+tolerance+and+control.">Healthcare-associated infections, medical devices and biofilms: risk, tolerance and control.</a> Journal of Medical Microbiology. 64, 323-334 (2015).</li></ol>

البروتوكول المعروض هنا للطباعة ثلاثية الابعاد من الاغشيه الحيوية المهندسة له خطوتين حاسمتين. الأول هو اعداد سطح الطباعة أجار ، وهو العامل الأكثر اهميه لإنتاج دقه الطباعة محدده. من المهم التاكد من ان سطح الطباعة مسطح وانه يتم وضع طرف الماصة علي الراس في الارتفاع الصحيح من السطح. إذا لم يكن ...

وهناك حاليا حاجه متزايدة إلى وضع حلول مستدامه وصديقه للبيئة لإنتاج المواد المنقوشة مكانيا ، بسبب العدد المتزايد من الأسواق لهذه المواد1. يقدم هذا المقال طريقه بسيطه واقتصاديه لإنتاج هذه المواد ، التالي يقدم طيفا واسعا من التطبيقات في المستقبل. تسمح الطريقة المعروضة هنا بالطباعة ثلاثية الابعاد (3D) للهياكل المنقوشة مكانيا باستخدام الحبر الحيوي الذي يحتوي علي البكتيريا الحية. تبقي البكتيريا قابله للحياة داخل الهياكل المطبوعة لأكثر من أسبوع واحد ، مما يمكن البكتيريا من أداء الانشطه الايضيه الطبيعية أو المهندسة. البكتيريا المطبوعة التالي يمكن ان تنتج وتودع المكونات المطلوبة داخل الهيكل المطبوع ، علي سبيل المثال خلق بيوفيلم الوظيفية عبر المرتبطة2.
وتنطوي الأساليب التقليدية لإنتاج المواد المتقدمة علي نفقات عاليه للطاقة (مثل ارتفاع درجات الحرارة و/أو الضغوط) ويمكن ان تنتج كميات كبيره من النفايات الكيميائية ، وكثيرا ما تكون مواد سامه تتطلب استخداما واسع النطاق للتكاليف3 ،4. وعلي النقيض من ذلك ، فان الأنواع البكتيرية المتعددة قادره علي إنتاج مواد يمكن تطبيقها بسهوله في مختلف الصناعات. وتشمل هذه المواد البوليمرات مثل polyhydroxyalkanoates (فا)5 أو بولي (غليكوليد-lactide) (pgla)6، السليلوز البكتيرية7، مواد الخرسانة البكتيرية8، المركبات الحيوية9، المواد اللاصقة اميلويد المستندة إلى10، أو الحيوي القائم علي مفاتيح الكهربائية11، من بين أمور أخرى. وعلاوة علي ذلك ، فان إنتاج البكتيريا من المواد الثمينة يحدث عاده عند درجات حرارة وضغوط شبه محيطه وفي بيئات مائية ، دون الحاجة إلى مركبات سامه أو إنتاجها. في حين ان إنتاج المواد مع البكتيريا قد ثبت في الأدبيات وبعض التطبيقات الصناعية قد ظهرت بالفعل12,13, ولا تزال طريقه موثوقه لزخرفه المكانية من هذه المواد تحديا.
توضح هذه المقالة طريقه مباشره لتحويل طابعه ثلاثية الابعاد تجاريه منخفضه التكلفة إلى طابعه بكتيرية ثلاثية الابعاد. ويوضح البروتوكول كيفيه اعداد الحبر الحيوي الذي يحتوي علي البكتيريا الحية والمحافظة عليها ، فضلا عن كيفيه اعداد الركائز التي يمكن ان تؤدي اليها الطباعة ثلاثية الابعاد. هذه الطريقة مناسبه للاستخدام مع مجموعه متنوعة من السلالات البكتيرية الطبيعية والمهندسة قادره علي إنتاج المواد. هذه البكتيريا يمكن توزيعها مكانيا ضمن بنيه مطبوعه ثلاثية الابعاد ولا تزال تواصل نشاطها الأيضي ، والذي سيؤدي إلى توزيع مكاني للمواد المطلوبة التي تنتجها البكتيريا.
هذه الطريقة الطباعة تمكن من تصنيع المضافة من الاغشيه البيولوجية ، والمجاميع من البكتيريا محاطه مصفوفة خارج الخلية المنتجة ذاتيا. الاغشيه البيولوجية هي شبكات ثلاثية الابعاد غير متجانسة حيث البروتينات والبوليمرات والخلايا البكتيرية والأكسجين والمواد المغذية كلها مهيكله مكانيا14. بينما في شكل بيوفيلم ، تظهر البكتيريا زيادة مقاومه المضادات الحيوية والمتانة الهيكلية ، مما يجعل من الصعب القضاء عليها من الأسطح بما في ذلك القسطرة الطبية ويزرع. المفتاح إلى [بيوفيلم] خاصيه, وأيضا التحدي كبيره إلى [بيوفيلم] بحث, يبدو ان التغاير من [بيوفيلومس]15,16,17. ويعد إنتاج الاغشيه البيولوجية النموذجية الخاضعة للمراقبة المكانية اهتماما خاصا لأنه سيسمح اما باستنساخ أو توليف الأنماط المكانية لمكونات بيوفيلم ، مما يساعد علي فهم ترسبات الاغشيه البيولوجية المستقرة علي اي سطح تقريبا في الطبيعه.
تقدم هذه المقالة طريقه لإنتاج الاغشيه البيولوجية باستخدام المواد الهلامية المائية المطبوعة ثلاثية الابعاد التي تحتوي علي بكتيريا القولونية المهندسة التي تنتج بروتينات بيوفيلم في وجود محفز ، فضلا عن أساليب التحقق من تشكيل بيوفيلم 2 . المكونات الرئيسية المصفوفة خارج الخلية من هذه الاغشيه البيولوجية هي curli اميلويد ألياف18 التي تحتوي علي البروتينات csga تجميعها ذاتيا. عند هندستها e. البكتيريا القولونية هي المستحثة للتعبير عن البروتينات csga ، فانها تشكل نموذج بيوفيلم مستقره التي تحمي الخلايا ضد يجري غسلها من سطح الطباعة. مثل هذا 3d المطبوعة بيوفيلم يمكن التحكم فيها مكانيا ، ويمكن ان تكون بمثابه أداه بحثيه مفيده للتحقيق في متعددة المقاييس بيوفيلم هيكل-وظيفة الميكانيكا أو المادية19. وسوف تساعد هذه الاغشيه الحيوية مفصل فهم مبادئ تشكيل بيوفيلم وخصائصها الميكانيكية ، مما يتيح المزيد من البحث في أليات مقاومه المضادات البيولوجية بين التطبيقات الأخرى.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>CoLiDo</td>
			<td>3D-P Kit</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printing software</td>
			<td>CoLiDo</td>
			<td>Print-Rite ColiDo Repetier-Host v2.0.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agar</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>05040</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CaCl2 dihydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C7902</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5810 R</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloramphenicol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>3886.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LB broth powder</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>L3022</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Orbital shaker</td>
			<td>VWR</td>
			<td>89032-092</td>
			<td>Model 3500</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dish</td>
			<td>VWR</td>
			<td>25384-326</td>
			<td>150 x 15 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhamnose</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>83650</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon tubing</td>
			<td>VWR&#160;</td>
			<td>DENE 3100103/25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>ProSense B.V.&#160;</td>
			<td>NE-300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium alginate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>W201502</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium citrate monobasic</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>71498</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydrooxide</td>
			<td>VWR</td>
			<td>28244.295</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensional patterning of engineered biofilms with a do-it-yourself bioprinter

الاغشيه البيولوجية هي مجاميع من البكتيريا المضمنة في مصفوفة ذاتية الإنتاج ذات نقوش مكانيه. البكتيريا داخل بيوفيلم تطوير مقاومه المضادات الحيوية المعززة ، والتي تشكل المخاطر الصحية المحتملة ، ولكن يمكن أيضا ان تكون مفيده للتطبيقات البيئية مثل تنقيه مياه الشرب. سيتطلب تطوير المزيد من العلاجات المضادة للبكتيريا والتطبيقات المستوحية من بيوفيلم تطوير طرق قابله للنسخ والهندسة لإنشاء بيوفيلم. في الاونه الاخيره ، تم تطوير طريقه جديده لاعداد بيوفيلم باستخدام طابعه ثلاثية الابعاد (3D) معدله مع حبر بكتيري. توضح هذه المقالة الخطوات اللازمة لبناء هذا فعاله ، منخفضه التكلفة 3D بيوركانتر التي توفر تطبيقات متعددة في معالجه المواد المستحثة بالجراثيم. يبدا البروتوكول بطابعه تجاريه ثلاثية الابعاد تمت الاستعاضة فيها عن الطارد بموزع الحبر الحيوي المتصل بنظام ضخ المحاقن مما يتيح تدفقا مستمرا وقابلا للتحكم من الحبر الحيوي. لتطوير الحبر الحيوي مناسبه للطباعة بيوفيلم ، تم تعليق البكتيريا القولونية التي تمت هندستها في محلول من الجينات ، بحيث يصلب في اتصال مع سطح يحتوي علي الكالسيوم. ان ادراج ماده كيميائية محفز داخل الركيزة الطباعة يدفع التعبير عن البروتينات بيوفيلم داخل الحبر الحيوي المطبوعة. تمكن هذه الطريقة من الطباعة ثلاثية الابعاد للأنماط المكانية المختلفة المكونة من طبقات منفصلة من الاغشيه البيولوجية المطبوعة. ويمكن لهذه الاغشيه الحيوية المتحكم فيها مكانيا ان تكون بمثابه نظم نموذجيه ويمكن ان تجد تطبيقات في مجالات متعددة لها تاثير واسع النطاق علي المجتمع ، بما في ذلك منع مقاومه المضادات الحيوية أو تنقيه مياه الشرب ، من بين أمور أخرى.

الخطوة الاولي لنجاح الطباعة ثلاثية الابعاد من الاغشيه البيولوجية هو تحويل طابعه 3D التجارية إلى بيوركانتر. ويتحقق هذا التحويل عن طريق أزاله الطارد وسخان من الطابعة ، والمصممة للطباعة بالحبر البوليمر ، واستبدال هذه مع المكونات المناسبة لطباعه الحبر الحيوي التي تحتوي علي...

Watch this Scientific Journal Video about Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter at JoVE.com

Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter

توضح هذه المقالة طريقه تحويل طابعه ثلاثية الابعاد تجاريه منخفضه التكلفة إلى طابعه ثلاثية الابعاد بكتيرية يمكنها تسهيل طباعه الاغشيه البيولوجية المنقوشة. وتوصف جميع الجوانب الضرورية لاعداد البيولوجية والحبر الحيوي ، فضلا عن أساليب التحقق لتقييم تكوين الاغشيه البيولوجية.

زخرفه ثلاثية الابعاد من الاغشيه البيولوجية المهندسة مع بيوركانتر تفعل ذلك بنفسك

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced ...

3D الطباعة البيولوجية مع البكتيريا هي تقنية وضعت حديثا. يوفر هذا البروتوكول طريقة سهلة لبناء الأغشية الحيوية 3D المهندسة المطبوعة مع البكتيريا. والميزة الرئيسية لهذه التقنية هي القدرة على إنتاج الأغشية الحيوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد منزلية الصنع.أحد التطبيقات الممكنة للطابعة ثلاثية الأبعاد لدينا هو إنشاء أغشية بيو فيلمية نموذجية قابلة للاستنساخ يمكن استخدامها لتطوير علاجات جديدة مضادة للبكتيريا. يمكن تطبيق نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد لدينا على أي نوع من البكتيريا المتوافقة مع bioink لدينا alginate على أساس. إعداد bioink وركائز الطباعة هي إجراءات قياسية إلى حد ما ، في حين أن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وخاصة معايرة المحور Z هو خطوة حاسمة تتطلب بعض الممارسة.سوف تؤثر معايرة مجموعة ارتفاع الوصول على دقة طابعة 3D لدينا، وتعتمد بشدة على الخبرة الشخصية. يتطلب هذا الإجراء تعديلات يدوية، ومن الصعب وصفه في شكل مكتوب. قم بتوصيل طرف ماصة 200 ميكرولتر بطول أنابيب السيليكون، واركب رأس الطارد الخاص بالطابعة ثلاثية الأبعاد كبديل للطارد الأصلي.بعد ذلك، إضافة أربعة ملليلترات من محلول كلوريد الكالسيوم المولر خمسة إلى 400 ملليلتر من 1٪ أجار الذائبة في مرق لوريا-بيرتاني، وتكمله بالمضادات الحيوية والمستحثات المناسبة. ثم، الاستغناء 20 ملليلتر من حل أجار LB في كل 150 ملليمتر من قبل 15 ملليمتر طبق بيتري. جفف الطبق لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة، مع غطاء نصف مفتوح.إعداد محلول ألجينات الصوديوم 3٪، وتسخينه إلى نقطة الغليان ثلاث مرات لتعقيم المحلل. ثم، وتخزين محلول معقمة في أربع درجات مئوية حتى يتم استخدامه. لإعداد المكون البكتيري من bioink، تنمو البكتيريا القولونية E.coli تحمل plasmids للتعبير GFP التأسيسية في 50 ملليلتر من LB المتوسطة التي تحتوي على المضادات الحيوية.هز الثقافة في 250 دورة في الدقيقة و 37 درجة مئوية بين عشية وضحاها. بعد نمو بين عشية وضحاها من الثقافة، بيليه البكتيريا لمدة خمس دقائق في 3، 220 مرة الجاذبية ومن ثم إزالة supernatant. Resuspend بيليه البكتيريا في 10 ملليلتر من متوسطة LB، وإضافة 10 ملليلتر من 3٪الصوديوم.قم بتوصيل الطابعة ثلاثية الأبعاد بجهاز كمبيوتر، وافتح برنامج الطباعة ثلاثية الأبعاد. انقر فوق الزر الصفحة الرئيسية لمحور X وY و Z لنقل رأس الطباعة إلى موضعه المنزلي. لكل طباعة، ضع ركيزة طباعة جاهزة على موقع معين على سرير الطباعة.رفع رأس الطباعة إلى ارتفاع أكثر من 22 ملليمتر تحت السيطرة اليدوية، بحيث أنها لن تصطدم مع حافة طبق بيتري أثناء الحركة. ضع رأس الطباعة فوق الجزء العلوي من اللوحة واحركه لأسفل حتى يتصل طرف الماصات بسطح الطباعة. تعيين هذا الموضع محور Z كـ Z1، ارتفاع سطح الطباعة.بعد ذلك، ارفع رأس الطباعة واحركه يدويًا خارج منطقة اللوحة. إذا كانت مسافة العمل بين رأس الطباعة وسطح اللوحة معرّفة على أنها Z2، أدخل ارتفاع سطح الطباعة بالإضافة إلى مسافة العمل في برنامج الطباعة كقيمة Z أثناء الطباعة. قم بتحميل ملف G-code مبرمج مسبقاً يحتوي على أوامر لطباعة الشكل المطلوب.في كل سطر أوامر، قد يتم تغيير موضع رأس الطباعة في المحاور س و ص أو Z. تأكد من إدخال قيمة Z أثناء جميع خطوات الطباعة كطول سطح الطباعة بالإضافة إلى مسافة العمل. تحميل bioink السائل في المحاقن وجبل لهم في مضخة حقنة من 3D bioprinter.ثم، تعيين سرعة البثق إلى 0.3 ملليلتر في الساعة. اطبع bioink على ركيزة الطباعة بالنقر فوق الزر طباعة. انتظر لبدء ضخ الحقنة حتى بعد بدء الطباعة، وقبل أن يتلامس رأس الطباعة مع سطح الطباعة.أثناء الطباعة، التحكم في حركة رأس الطباعة بالكامل من قبل البرنامج. وقف مضخة حقنة بمجرد وصول رئيس الطباعة في النقطة الأخيرة من الطباعة، وإلا سوف بيوينك الزائدة إسقاط على الركيزة الطباعة والحد من قرار الطباعة. لبناء هياكل 3D، يتم التحكم في جميع حركات رأس الطباعة في محرر G-code.لزيادة ارتفاع الطباعة للطبقة الثانية، اكتب في ارتفاع الطباعة للطبقة الأولى، ثم قم بزيادة قيمة Z في الكود بمقدار 0.2 مليمتر. بعد ذلك، زيادة قيمة Z بمقدار 0.1 ملليمتر، عند الانتقال إلى طبقة أعلى. احتضان العينات المطبوعة في درجة حرارة الغرفة لمدة ثلاثة إلى ستة أيام للسماح بإنتاج مكونات بيو فيلم مثل ألياف كيرلي.ثم ضع اللوحة على ماسح ضوئي فلوري وصور اللوحات. لإذابة مصفوفة ألجينات، إضافة 20 ملليلتر من محلول سيترات الصوديوم 0.5 ضرس في 7، إلى الركيزة المطبوعة. احتضان لوحة في درجة حرارة الغرفة لمدة ساعتين في حين تهتز في 30 دورة في الدقيقة.ثم، والتخلص من السائل وصورة لوحات مرة أخرى، للمقارنة مع الصور لوحات قبل وبعد العلاج سيترات. يمكن للطبعة الحيوية ثلاثية الأبعاد إنشاء بكتيريا تغلف الهيدروجيلات في مجموعة متنوعة من الأشكال ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه الأشكال المطبوعة لتقييم ما إذا كان تكوين بيو فيلم ناجحا أو إذا تم حل مصفوفة الجينات تماما باستخدام محلول سيترات الصوديوم.في حالة bioink دون إنتاج كيرلي غير قابل للذوبان ، تم حل النمط المطبوع تمامًا بعد علاج سترات الصوديوم ، مما يدل على أنه لم تتشكل أي شبكة بيوليمم كيرلي. لم يتم حل البكتيريا التي تحتوي على إنتاج كيرلي غير قابل للذوبان بعد علاج سترات الصوديوم ، مما يشير إلى أن البكتيريا المطبوعة كانت قادرة على تشكيل شبكة كيرلي واسعة بما يكفي لتثبيت النمط المطبوع للبكتيريا. لبناء هياكل متعددة الطبقات، يمكن طباعة طبقات إضافية عن طريق التحكم في محرر رمز G.زيادة عدد الطبقات المطبوعة في نموذج تسبب في زيادة عرض وارتفاع البنيات المطبوعة بشكل متزايد. عندما تم طباعة E.coli المهندسة لإنتاج إيندوشيبلي بروتينات كيرلي في هياكل متعددة الطبقات، لم يتم حل علاج سترات الصوديوم العينات، في حين تم حل الهياكل متعددة الطبقات التي تحتوي على غير كورلي المنتجة E.coli. الأجزاء الأكثر أهمية من إجراءات الطباعة 3D هي معايرة Z-محور، وتنسيق بدء الطباعة وبدء ضخ الحقن.bioink وضعت لهذه العملية لينة إلى حد ما ، مع صلابة منخفضة. ويمكن إجراء مزيد من التعديل على bioink، من أجل توفير وتحسين الاستقرار الميكانيكية. هذه التقنية الطباعة 3D تمكن إنتاج الأغشية الحيوية مع خصائص ميكانيكية ممتازة، والتي قد تمكن من تصنيع المواد الحيوية.عند التعامل مع هذه البكتيريا، وارتداء الحماية المناسبة، مثل القفازات.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

ثلاثي الأبعاد البصرية الميكروسكوب الضوئي الاستبانة

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

مستو وثلاثي الابعاد من أحبار الطباعة موصل

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Analysis of Cell Migration within a Three-dimensional Collagen Matrix

تحليل الهجرة خلية داخل الكولاجين مصفوفة ثلاثية الأبعاد

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

جيل من سمك ثلاثي الأبعاد الجلد كامل أي ما يعادل واصابة الآلي

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Rapid Subtractive Patterning of Live Cell Layers with a Microfluidic Probe

الزخرفة مطروح السريع لطبقات الخلايا الحية مع التحقيق ميكروفلويديك

The microfluidic probe (MFP) facilitates performing local chemistry on biological substrates by confining nanoliter volumes of liquids. Using one ...

Three-dimensional Tissue Engineered Aligned Astrocyte Networks to Recapitulate Developmental Mechanisms and Facilitate Nervous System Regeneration

ثلاثي الأبعاد الأنسجة المهندسة الانحياز شبكات Astrocyte الخص الآليات الإنمائية وتيسير التجدد العصبي

Neurotrauma and neurodegenerative disease often result in lasting neurological deficits due to the limited capacity of the central nervous system (CNS) to ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional PolyÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Âµ-caprolactone Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

تذوب الكتابة اليكتروسبينينج من السقالات Poly(ε-caprolactone) ثلاثي الأبعاد مع مورفولوجيس يمكن السيطرة عليها لتطبيقات هندسة الأنسجة

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

ثلاثي الأبعاد طباعة المواد الحرارية لخلق الآلي المحاقن مضخات مع مراقبة التغذية المرتدة للتطبيقات موائع جزيئية

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

Lab-on-a-CD Platform for Generating Multicellular Three-dimensional Spheroids

منصة مختبر علي القرص المضغوط لتوليد خزان ثلاثي الابعاد متعدد الخلايا

A three-dimensional spheroid cell culture can obtain more useful results in cell experiments because it can better simulate cell microenvironments of the ...