Name: combining 3d-printing and electrospinning to manufacture biomimetic heart valve leaflets
Uploaded: 2022-03-23T13:40:00
Duration: 10 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המדענים הקלינאים ברפואת כלי דם (PRIME), במימון דויטשה פורשונגסגמיינשאפט (DFG, קרן המחקר הגרמנית), פרויקט מספר MA 2186/14-1.

<ol>
	<li>Van Camp, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiovascular+disease+prevention.">Cardiovascular disease prevention.</a> Acta Clinica Belgica. 69 (6), 407-411 (2014).</li><li>Iung, B., Vahanian, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidemiology+of+valvular+heart+disease+in+the+adult.">Epidemiology of valvular heart disease in the adult.</a> Nature Reviews Cardiology. 8 (3), 162-172 (2011).</li><li>Fioretta, E. S., 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=Cardiovascular+tissue+engineering:+From+basic+science+to+clinical+application.">Cardiovascular tissue engineering: From basic science to clinical application.</a> Experimental Gerontology. 117 (1), 1-12 (2019).</li><li>Xue, J., Wu, T., Dai, Y., Xia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning+and+electrospun+nanofibers:+methods,+materials,+and+applications.">Electrospinning and electrospun nanofibers: methods, materials, and applications.</a> Chemical Reviews. 119 (8), 5298 (2019).</li><li>Grande, D., Ramier, J., Versace, D. L., Renard, E., Langlois, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+functionalized+biodegradable+PHA-based+electrospun+scaffolds+meant+for+tissue+engineering+applications.">Design of functionalized biodegradable PHA-based electrospun scaffolds meant for tissue engineering applications.</a> New Biotechnology. 37, 129-137 (2017).</li><li>Tara, S., 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=Well-organized+neointima+of+large-pore+poly(l-lactic+acid)+vascular+graft+coated+with+poly(l-lactic-co-&#949;-caprolactone)+prevents+calcific+deposition+compared+to+small-pore+electrospun+poly(l-lactic+acid)+graft+in+a+mouse+aortic+implantation+model.">Well-organized neointima of large-pore poly(l-lactic acid) vascular graft coated with poly(l-lactic-co-&#949;-caprolactone) prevents calcific deposition compared to small-pore electrospun poly(l-lactic acid) graft in a mouse aortic implantation model.</a> Atherosclerosis. 237 (2), 684-691 (2014).</li><li>Voorneveld, J., Oosthuysen, A., Franz, T., Zilla, P., Bezuidenhout, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual+electrospinning+with+sacrificial+fibers+for+engineered+porosity+and+enhancement+of+tissue+ingrowth.">Dual electrospinning with sacrificial fibers for engineered porosity and enhancement of tissue ingrowth.</a> Journal of Biomedical Material Research. 105 (6), 1559-1572 (2017).</li><li>Kishan, A. P., Cosgriff-Hernandez, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advancements+in+electrospinning+design+for+tissue+engineering+applications:+A+review.">Recent advancements in electrospinning design for tissue engineering applications: A review.</a> Journal of Biomedical Materials Research. 105 (10), 2892-2905 (2017).</li><li>Sacks, M. S., David Merryman, W., Schmidt, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+biomechanics+of+heart+valve+function.">On the biomechanics of heart valve function.</a> Journal of Biomechanics. 42 (12), 1804-1824 (2009).</li><li>Buchanan, R. M., Sacks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interlayer+micromechanics+of+the+aortic+heart+valve+leaflet.">Interlayer micromechanics of the aortic heart valve leaflet.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (4), 813-826 (2014).</li><li>Gensler, M., 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=3D+printing+of+bioreactors+in+tissue+engineering:+A+generalised+approach.">3D printing of bioreactors in tissue engineering: A generalised approach.</a> PLoS One. 15 (11), 0242615 (2020).</li><li>Grab, M., 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=Customized+3D+printed+bioreactors+for+decellularization-High+efficiency+and+quality+on+a+budget.">Customized 3D printed bioreactors for decellularization-High efficiency and quality on a budget.</a> Artificial Organs. 45 (12), 1477-1490 (2021).</li><li>Huang, J., Koutsos, V., Radacsi, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+FDM+3D-printed+modular+electrospray/electrospinning+setup+for+biomedical+applications.">Low-cost FDM 3D-printed modular electrospray/electrospinning setup for biomedical applications.</a> 3D Printing in Medicine. 6 (1), 8 (2020).</li><li>Fukunishi, 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=Preclinical+study+of+patient-specific+cell-free+nanofiber+tissue-engineered+vascular+grafts+using+3-dimensional+printing+in+a+sheep+model.">Preclinical study of patient-specific cell-free nanofiber tissue-engineered vascular grafts using 3-dimensional printing in a sheep model.</a> Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153 (4), 924-932 (2017).</li><li>Jana, S., Lerman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+tissue+engineering+of+a+trilayered+leaflet-shaped+tissue+construct.">In vivo tissue engineering of a trilayered leaflet-shaped tissue construct.</a> Regenerative Medicine. 15 (1), 1177-1192 (2020).</li><li>Hasan, A., 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=Electrospun+scaffolds+for+tissue+engineering+of+vascular+grafts.">Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts.</a> Acta Biomaterialia. 10 (1), 11-25 (2014).</li><li>Wang, X., Ding, B., Yu, J., Yang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+fabrication+of+two-dimensional+spider-web-like+gelatin+nano-nets+via+electro-netting.">Large-scale fabrication of two-dimensional spider-web-like gelatin nano-nets via electro-netting.</a> Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 86 (2), 345-352 (2011).</li><li>Yang, G. -. Z., Li, H. -. P., Yang, J. -. H., Wan, J., Yu, D. -. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+working+temperature+on+the+formation+of+electrospun+polymer+nanofibers.">Influence of working temperature on the formation of electrospun polymer nanofibers.</a> Nanoscale Research Letters. 12 (1), 55 (2017).</li><li>Ekaputra, A. K., Prestwich, G. D., Cool, S. M., Hutmacher, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+electrospun+scaffolds+with+electrosprayed+hydrogels+leads+to+three-dimensional+cellularization+of+hybrid+constructs.">Combining electrospun scaffolds with electrosprayed hydrogels leads to three-dimensional cellularization of hybrid constructs.</a> Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).</li><li>Motta, S. E., 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=Geometry+influences+inflammatory+host+cell+response+and+remodeling+in+tissue-engineered+heart+valves+in-vivo.">Geometry influences inflammatory host cell response and remodeling in tissue-engineered heart valves in-vivo.</a> Scientific Reports. 10 (1), 19882 (2020).</li><li>Masoumi, N., 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=Tri-layered+elastomeric+scaffolds+for+engineering+heart+valve+leaflets.">Tri-layered elastomeric scaffolds for engineering heart valve leaflets.</a> Biomaterials. 35 (27), 7774-7785 (2014).</li><li>Jana, S., Lerman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavior+of+valvular+interstitial+cells+on+trilayered+nanofibrous+substrate+mimicking+morphologies+of+heart+valve+leaflet.">Behavior of valvular interstitial cells on trilayered nanofibrous substrate mimicking morphologies of heart valve leaflet.</a> Acta Biomaterialia. 85, 142-156 (2019).</li><li>Jana, S., Franchi, F., Lerman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trilayered+tissue+structure+with+leaflet-like+orientations+developed+through+in+vivo+tissue+engineering.">Trilayered tissue structure with leaflet-like orientations developed through in vivo tissue engineering.</a> Biomedical Materials. 15 (1), 015004 (2019).</li><li>Zhou, Y., Chyu, J., Zumwalt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+of+fabrication+of+cell+scaffold+by+electrospinning+technique+for+articular+cartilage+tissue+engineering.">Recent progress of fabrication of cell scaffold by electrospinning technique for articular cartilage tissue engineering.</a> International Journal of Biomaterials. 2018, 1953636 (2018).</li><li>Zamani, M., Shakhssalim, N., Ramakrishna, S., Naji, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospinning:+application+and+prospects+for+urologic+tissue+engineering.">Electrospinning: application and prospects for urologic tissue engineering.</a> Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, 579925 (2020).</li><li>Heilingoetter, A., Smith, S., Malhotra, P., Johnson, J., Chiang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Electrospinning+for+Tissue+Engineering+in+Otolaryngology.">Applications of Electrospinning for Tissue Engineering in Otolaryngology.</a> Annals of Otology, Rhinology &amp; Laryngology. 130 (4), 395-404 (2020).</li><li>Xue, J., Xie, J., Liu, W., Xia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrospun+nanofibers:+new+concepts,+materials,+and+applications.">Electrospun nanofibers: new concepts, materials, and applications.</a> Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1976-1987 (2017).</li></ol>

המחברים מצהירים על היעדר ניגודי עניינים.

הפרוטוקול המתואר מציג שני חידושים בתחום הנדסת הרקמות (הקרדיווסקולרית): ייצור בעלות נמוכה של פנטומים מודפסים בתלת-ממד לחלוטין עבור אלקטרוספינינג ושימוש באספן רב-תכליתי לייצור עלוני מסתם לב הניתנים להתאמה ורב-שכבתיים.
לאחרונה, הדפסה תלת-ממדית הפכה לכלי רב ערך לייצור ציוד מעבדה, למשל, ביו-ריאקטורים או הגדרות ייצור ובדיקה11,12. לכן, ניתן היה לייצר את מערך האלקטרוספינינג שהוצג במחקר זה בפרק זמן קצר ובתקציב סביר (טבלה 1). זה נשאר בקנה אחד עם ממצאים קודמים לייצור בעלות נמוכה של הגדרות אלקטרוספינינג באמצעות הדפסה תלת-ממדית13.
יתר על כן, למיטב ידיעתם של המחברים, זו הפעם הראשונה שחומר מוליך להדפסה תלת-ממדית שימש ליצירת אספן אלקטרוספינינג עבור עלוני מסתמי לב. עד כה, אספנים שהודפסו בתלת-ממד יוצרו על ידי סינטר לייזר מתכתי14 או באמצעות הדפסת פולימרים לא מוליכים ולאחר מכן עיבוד לאחר מכן עם ציפוי מוליך15. בניגוד לגישה חדשנית זו, נהלים אלה נמצאים בעמדת נחיתות משמעותית מכיוון שהם יקרים יותר, או נמשכים זמן רב יותר או דורשים עבודת כפיים רבה יותר.
אלקטרוספינינג תלוי במספר רב של משתנים המשפיעים על המורפולוגיה של הסיבים שנוצרו. אף על פי שמערכות אלקטרוספינינג מסחריות שונות זמינות בשוק, קבוצות מחקר רבות משתמשות בתצורות מותאמות אישית מאוד כדי להתאים לצרכים הספציפיים שלהן16. בהתחשב בכך, ייתכן שיהיה צורך להתאים את הערכים המתוארים בפרוטוקול זה (מתח, מרחק ומהירות סיבוב) עבור הגדרות בודדות ויש לראותם כנקודת התחלה ולא כערכים קבועים. יתר על כן, ידוע כי פרמטרים סביבתיים יכולים להשפיע באופן משמעותי על תוצאות אלקטרוספינינג17,18. לכן, מומלץ מאוד לשלוט לפחות בטמפרטורה ובלחות בתוך מתקן אלקטרוספינינג. תוצאות אלקטרוספינינג אופטימליות התקבלו בין 15-20% לחות יחסית בטמפרטורה שבין 21 ל -24 מעלות צלזיוס. כדי לעקוב אחר פרוטוקול זה, הציוד הבא חיוני: מנוע המסוגל להאיץ אספן במשקל של כ-300 גרם עד למהירות סיבוב של 2,000 סל"ד, משאבת מזרק המתאימה לקצבי זרימה בנפח קטן של 1-3 מ"ל/שעה, ויחידת אספקת חשמל בעלת מוט כפול המסוגלת ±20 קילו-וולט זרם ישיר (DC).
בהתאם למחקרים קודמים, ניתן היה לדמיין את המבנה הסיבי של פיגומי האלקטרוספון על ידי מיקרוסקופיה פלואורסצנטית19. ניתן היה להדגים בהצלחה את המבנה הרב שכבתי של הפיגום, כולל כיווני הסיבים המשתנים. במיוחד כאשר עובדים עם שכבות מרובות או חומרים מרובים, יש לשקול את הכנסת הצבעים הפלואורסצנטיים כהליך סטנדרטי לבקרת איכות מחמירה. זה יכול לשפר את ההערכה החזותית של התוצאות לאחר שינויים בפרמטרים או בפרוטוקול זרימת העבודה. לא ניתן להמליץ על יישום צבע בפיגומים שישמש להערכת in vivo או in vitro . זה חשוב כדי למנוע הפרעה עם שיטות אנליטיות מבוססות.
לחיקוי מורפולוגיה טבעית של מסתמי לב יש חשיבות רבה כדי לייצר שכפול מהונדס רקמה שישמש כתותבת מסתם לב (איור 4B). הוכח כי לגיאומטריית השסתומים הספציפית יש השפעה גבוהה על שיפוץ in vivo 20. בהקשר זה, הדפסה תלת-ממדית של גיאומטריית העלון עבור אלקטרוספינינג היא בעלת יתרון, שכן איטרציות קלות ומהירות ליישום. אפילו ייצור של גיאומטריות מסתם מותאמות אישית מתקבל על הדעת ופיתוח מאוחר יותר של מודלים תלת ממדיים בודדים ומותאמים אישית של הפרעות במסתמי הלב, למשל, למטרות הוראה, אפשרי.
שיפור נוסף של תכונות מסתם הלב המהונדס על ידי רקמות עומד במרכז מאמצי המחקר הנוכחיים, שכן מספר קבוצות מחקר עבדו על פיתוח פיגומים רב שכבתיים עם אוריינטציות סיבים מוגדרות. Masoumi et al. ייצרו פיגומים מרוכבים משכבת סבקט פוליגליצרול יצוקה ומחצלות סיבי אלקטרוספון פוליקפרולקטון (PCL)21. לפיכך, ניתן ליצור שכבה משולשת משתי שכבות אלקטרו-ספון מכוונות המופרדות על ידי יריעה של פוליגליצרול סבקט מיקרו-פבריקטי. עם זאת, בניגוד לפיגומים שעל היד, הם לא היו בצורת תלת-ממד ולא חיקו כראוי את השכבה האמצעית (spongiosa). גישה נוספת לייצור מסתם לב מהונדס רקמות ביולוגיות נקטה על ידי Jana et al.22,23. הם ייצרו בהצלחה פיגומים תלת-שכבתיים עם סיבים מכוונים באמצעות קולטי אלומיניום עבור אלקטרוספינינג מבוסס PCL. שוב, פיגומים אלה הציגו גם פגמים מורפולוגיים, שכן יש להם רק מראה דו-ממדי, והפיגום הסופי מתפשט על ידי חישורים.
אף על פי שהפרוטוקול מספק מידע מפורט על האופן שבו מיוצרים עלונים תלת-ממדיים ותלת-שכבתיים של מסתמי לב, נדרשים מספר שלבים נוספים ליצירת תותבת מסתם לב ממשית. סטנט בקוטר 24 מ"מ מומלץ עבור העלונים המתוארים כאן. משלימים את הסטנט המשמש, ניתן לספק את העלונים עם מבני תמיכה נוספים לתפירה. כדי לאפשר גמישות מרבית, העלונים המוצגים כאן אינם מותאמים אישית לתכנון סטנט ספציפי. ניתן לעשות זאת פשוט על ידי שינוי התבנית באמצעות תוכנת CAD.
למרות שהיא משמשת להנדסת רקמות מסתם לב, השיטה המוצגת תהיה ישימה בקלות עבור תצורות אלקטרוספינינג באורתופדיה24, אורולוגיה25, אף אוזן גרון26 ואחרים. ייצור של מבנים תלת-ממדיים מתוחכמים ו/או מותאמים אישית אפשרי על ידי יישום של אספנים אחרים שהודפסו בתלת-ממד. למרות שהחומר של האספן השתנה, העיקרון של אלקטרוספינינג נשאר שלם27. לכן, השימוש בפולימרים שונים אפשרי תיאורטית, אם כי ייתכן שיהיה צורך בהתאמת הפרמטרים של אלקטרוספינינג.
בסך הכל, הפרוטוקול המוצג מתאר דרך קלה וחסכונית לייצור עלוני מסתם לב רב שכבתיים. היישום של הדפסה תלת-ממדית מאפשר הסתגלות מהירה ושינויים של האספן והתוספות. זה מאפשר ייצור של תותבות ספציפיות למטופל ללא תהליך ייצור מסובך של, למשל, אספני מתכות. ניתן ליצור דגימות מרובות בריצה אחת בתנאים זהים. לכן, ניתן לבצע בדיקות הרסניות חומריות על הדגימות עם היתרון של העובדה שנותרו (כמעט) זהות לבניית השסתום בפועל. הכללת קבצי ההדפסה כקבצים משלימים במחקר זה נועדה לתמוך בהתקדמותם של פיגומי מסתם לב רב שכבתיים. לטכניקת האלקטרוספינינג החדשה הזו יש גם פוטנציאל גבוה לתחומים אחרים של רפואה רגנרטיבית, שכן אספנים שעברו שינוי ותבניות מסתובבות אחרות שהודפסו בתלת-ממד קל ליישום.

מחלות לב וכלי דם הן סיבת המוות המובילה במדינות המערב 1. למרות שנעשה מחקר מקיף בתחום זה, ההערכה היא כי הנטל של מחלת מסתם לב ניוונית יגדל עוד יותר במהלך השנים הבאות2. החלפת מסתם לב כירורגי או התערבותי אפשרית כאופציה טיפולית. בשלב זה, מסתמי לב מכניים וביו-פרוסטטיים זמינים, שניהם עם חסרונות בודדים. שסתומים מכניים הם טרומבוגניים ודורשים נוגדי קרישה לכל החיים. למרות שסתומים ביולוגיים אינם דורשים נוגדי קרישה, הם מראים חוסר שיפוץ, שיעור גבוה של הסתיידות, והשפלה במקביל3.
מסתמי לב מהונדסים ברקמות עשויים להיות מסוגלים להתמודד עם חסרונות אלה על ידי החדרת פיגום מיקרופיברוס לגוף המאפשר שיפוץ in vivo. קיימות שיטות שונות, כגון אלקטרוספינינג (ESP), דה-סלולריזציה, מיקרומולדינג, ריסוס, ציפוי טבילה והדפסה ביולוגית תלת-ממדית. שיטות אלה ניתן לבחור ליצירת תכונות ספציפיות, להיות זול יותר ומהיר יותר, או רק בשל חוסר חלופות. שיטות וחומרים ניתן אפילו לשלב כדי ליצור מבנים מורכבים יותר4. לדוגמה, ESP הייתה טכניקה סטנדרטית ליצירת פיגומים בהנדסת רקמות, המאפשרת שילוב של חומרים שונים והתאמה של קוטרי סיבים, אוריינטציות סיבים ונקבוביות4. יתר על כן, מגוון טכניקות לאחר העיבוד מאפשרות שיפוץ רקמות אופטימלי, יכולת המו-תאימות משופרת והתכלות ביולוגית מתכווננת של פיגומי אלקטרוספון 5,6,7.
ה-ESP הבסיסי משתמש באספנים סטטיים או מסתובבים, שיש להם השפעה ישירה על מידת יישור הסיבים ועל קוטרי הסיבים המתקבלים8. בשל מגבלות הייצור, אספנים מסתובבים קלאסיים של ESP מורכבים מתופים מסתובבים, דיסקים, חוטים או מוטות מתכת. ההקדמה של הדפסה תלת-ממדית מאפשרת יצירה של גיאומטריות אספנים אינדיבידואליות יותר שאינן מוגבלות על ידי טכניקות ייצור מסורתיות. אינדיבידואליזציה זו שימושית במיוחד ליצירת מבנים תלת-ממדיים כגון עלוני מסתם לב.
הארכיטקטורה התלת-שכבתית הטבעית (פיברוסה, ספונגיוסה, חדר) של עלוני מסתמי הלב האנושיים היא תגובת הרקמות לכוחות המכניים ולעקה הגזירה שהן נחשפות אליהן במהלך מחזור הלב 9,10. הסיבים של הלמינה פיברוסה מכוונים באופן היקפי, בעוד שהסיבים של הלמינה ספונגיוסה מיושרים באופן אקראי ואלה של חדר הלמינה רדיאלי. לפיכך, מוצעת שכבה משולשת עם כיווני הסיבים המתאימים כדי לחקות את תכונותיהם של שסתומים אלה בפיגום מהונדס רקמה.
פרוטוקול זרימת העבודה מתאר שיטה חדשנית לייצור עלונים תלת-שכבתיים תלת-שכבתיים של מסתמי לב באמצעות הדפסה תלת-ממדית ואלקטרו-ספינינג. בנוסף, מוצג שלב בקרת איכות כדי להבטיח כיוון סיבים מדויק בכל שכבה.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>BTC-FR2.5TN.D09</td>
			<td>ZwickRoell GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>Traction engine (Tensile tests)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C5-E Motor Controller</td>
			<td>Nanotec Electronic GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>Motor controll unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CH1: CPN 30 kV | 0.3 mA</td>
			<td>iseg Spezialelectronik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Power Supply Unit Anode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CH1: CPN 30 kV | 0.3 mA</td>
			<td>iseg Spezialelektronik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Power Supply Unit Kathode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductive Composite PLA</td>
			<td>ProtoPasta</td>
			<td></td>
			<td>Conductive PLA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cura 4.7.1</td>
			<td>Ultimaker BV</td>
			<td></td>
			<td>Slicing Software Ultimaker, step 1.1.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAPI Stock Solution c = 0.1 mg/mL</td>
			<td>Sigma-Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td></td>
			<td>DAPI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Scalpel No. 23</td>
			<td>FEATHER</td>
			<td></td>
			<td>Scalpel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein (C.I. 45350) M 376.28 g/mol</td>
			<td>Carl Roth GmbH + Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>Fluorescein</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fume Hood as per DIN 12924 Class 2</td>
			<td>K&#246;ttermann GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Fume Hood</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leica Applicatin Suite X 3.5.5.19976</td>
			<td>Leica Microsystems GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Software for Confocal Laser Scanning Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luerlock Syringe 20 mL</td>
			<td>BD Plastipak</td>
			<td></td>
			<td>Luerlock Syringe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal needle plane 2.50/2.00 x 20 mm</td>
			<td>Unimed S.A.</td>
			<td></td>
			<td>Needle with plane tip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Montage-complet-tubes; inner diameter x outer diameter: 1/16&#34; x 1/8&#34;, length 1.000 mm</td>
			<td>Bohlender GmbH</td>
			<td>F740-28</td>
			<td>Solvent resistant tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N,N-Dimethylformamide &#8805;99.8%</td>
			<td>Sigma-Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Dimethylformamide</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pellethane 2363 80AE</td>
			<td>Velox GmbH Hamburg</td>
			<td></td>
			<td>Polyurethane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA</td>
			<td>Ultimaker BV</td>
			<td></td>
			<td>PLA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plug&#38;Drive Studio (1.0.4)</td>
			<td>Nanotec Electronic GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>Motor operation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEM Evo LS 10</td>
			<td>Zeiss MicroImaging GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Scanning Electron Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SHT 31-D</td>
			<td>Adafruit Industries</td>
			<td></td>
			<td>Temperature and Humidity Sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks 2020 CAD Software</td>
			<td>Dassault Syst&#232;mes</td>
			<td></td>
			<td>Commercial CAD Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulforhodamine 101 50 mg</td>
			<td>Sigma - Aldrich&#160;</td>
			<td>S 7635</td>
			<td>Texas Red</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pump Model: Fusion 100</td>
			<td>Chemyx Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Syringe Pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TCS SP8 inverted CEL BMi8</td>
			<td>Leica Microsystems GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Confocal Laser Scanning Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>testXpert V11.02</td>
			<td>ZwickRoell GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>Software Tensile Test</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran &#8805;99.9%</td>
			<td>Sigma-Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Tetrahydrofuran</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Type 1511530000202 #980361</td>
			<td>Binder Labortechnik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Heating Cabinet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker 3 Extended</td>
			<td>Ultimaker BV</td>
			<td></td>
			<td>3D Printer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

combining 3d-printing and electrospinning to manufacture biomimetic heart valve leaflets

אלקטרוספינינג הפכה לטכניקה נפוצה בהנדסת רקמות לב וכלי דם מכיוון שהיא מציעה את האפשרות ליצור פיגומים סיביים (מיקרו)סיביים בעלי תכונות מתכווננות. מטרת מחקר זה הייתה ליצור פיגומים רב שכבתיים המחקים את מאפייני הסיבים האדריכליים של עלוני מסתמי הלב האנושיים באמצעות אספנים מוליכים המודפסים בתלת-ממד.
דגמים של שסתום אבי העורקים נוצרו באמצעות תוכנה מסחרית לתכנון בעזרת מחשב (CAD). חומצה פולילקטית מוליכה שימשה לייצור תבניות עלון מודפסות בתלת-ממד. נגטיבים אלה שולבו במנדרל אלקטרוספינינג מתוכנן ומסתובב במיוחד. שלוש שכבות של פוליאוריתן סובבו על האספן, מחקות את כיוון הסיבים של מסתמי הלב האנושיים. מבנה פני השטח והסיבים הוערך באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). היישום של צבע פלואורסצנטי איפשר גם הדמיה מיקרוסקופית של מבנה הסיבים הרב שכבתי. בדיקות מתיחה בוצעו כדי להעריך את התכונות הביומכניות של הפיגומים.
הדפסה תלת-ממדית של חלקים חיוניים עבור מתקן האלקטרוספינינג התאפשרה תוך זמן קצר בתקציב נמוך. שסתום אבי העורקים שנוצר בעקבות פרוטוקול זה היה תלת-שכבתי, עם קוטר סיבים של 4.1 ± 1.6 מיקרומטר. מיקרוסקופיה פלואורסצנטית חשפה שכבות בודדות עם סיבים מיושרים באופן שונה, כאשר כל שכבה הגיעה במדויק לתצורת הסיבים הרצויה. הפיגומים שיוצרו הראו חוזק מתיחה גבוה, במיוחד לאורך כיוון היישור. קבצי ההדפסה של האספנים השונים זמינים כקובץ משלים 1, קובץ משלים 2, קובץ משלים 3, קובץ משלים 4 וקובץ משלים 5.
עם פרוטוקול התקנה וזרימת עבודה מיוחד במיוחד, ניתן לחקות רקמות עם מבני סיבים מורכבים על פני שכבות מרובות. סיבוב ישיר על אספנים מודפסים בתלת-ממד יוצר גמישות רבה בייצור צורות תלת-ממדיות בעלויות ייצור נמוכות.

פרוטוקול זה מכוון לפיתוח פיגום עלון תלת שכבתי המיועד לשימוש בהנדסת רקמות לב וכלי דם של מסתמי לב. הוא מחקה את תצורת הקולגן של שלוש השכבות במסתם הלב האנושי המקומי. כל שכבה מורכבת מסיבים בקוטר כולל של 4.1 ± 1.6 מיקרומטר (איור 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig01.jpg"> איור 1: מאפייני סיבים. ניתוח סיבים: ספירת סיבים כוללת; קוטר ב μm: ממוצע, מצב, סטיית תקן, קוטר מינימלי, קוטר מקסימלי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
תבניות העלון נועדו להתאים לתותבת מסתם אבי העורקים Ø בקוטר 24 מ"מ (איור 2C). לאחר הייבוש, פיגומי העלונים שמרו על צורתם של מסתם לב תלת-ממדי (איור 3A).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig02.jpg"> איור 2: הגדרת אלקטרוספינינג. (A) אספן מודפס בתלת-ממד שהורכב במערך הסיבובי; (ב) עיבוד CAD של האספן הניתן להדפסה בתלת-ממד; (ג) עיבוד CAD של עלון מסתם הלב שלילי המוצג ב-B; משולש מציין חלק מוגדל. קיצור: CAD = תכנון בעזרת מחשב. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
הדמיית SEM שימשה להערכת השכבות המיושרות והלא מיושרות (TEMP F3512-21). התצלומים צולמו בהגדלה של פי 100, 500x ו-2,000x בשלושה מיקומים שונים על פיגום. פיגומי סיבים מיושרים מופיעים עם משטח חלק וכיוון קפדני בכיוון ההיקף (איור 3B). ניתוח חזותי של התמונה בגודל 2,000x ביחס לכיוון הסיבים מאשר את היישור הראשוני של הסיבים (איור 3C). פיגומי סיבים לא מיושרים מראים משטח חלק באופן דומה בהשוואה לסיבים המיושרים. כיוון הסיבים אינו מסודר, עם הרבה הצטלבויות בולטות בין סיבים (איור 3D). ניתוח חזותי מאוחר יותר מאשר את אי-ההתאמה של סיבים ללא כיוון ראשוני נראה לעין (איור 3E).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig03.jpg"> איור 3: עלון אלקטרוספון והדמיית SEM. (A) עלון רב-שכבתי של Electrospun ואספן עלונים מודפס בתלת-ממד; (B) תמונת SEM של סיבים לא מיושרים (הגדלה פי 1,000); (C) ניתוח אוריינטציה של סיבים של סיבים לא מיושרים; (D) תמונת SEM של סיבים מיושרים (הגדלה פי 1,000); (E) ניתוח כיוון סיבים של סיבים מיושרים. סרגלי קנה מידה = 10 מ"מ (A), 100 מיקרומטר (B, D). קיצור: SEM = מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
הדמיה של פיגומים רב-שכבתיים צבועים פלואורסצנטיים חשפה שלוש שכבות בודדות עם אוריינטציות סיבים שונות (איור 4D). השכבה התחתונה (איור 4A; כחול) מראה סיבים מיושרים בכיוון אופקי עם מעט מאוד הצטלבות בין הסיבים. השכבה האמצעית (איור 4B; ירוק) מראה סיבים לא מיושרים ללא כיוון סיבים ראשוני. השכבה העליונה (איור 4C; אדום) מציגה סיבים מיושרים בכיוון ניצב. ניתוח חזותי של השכבות העליונות והתחתונות חושף זווית ממוצעת בין שתי השכבות של 89°, בהתאם לסיבוב של 90° של האספן במהלך תהליך הסיבוב (איור 4E).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig04.jpg"> איור 4: מיקרוסקופיה פלואורסצנטית של פיגומים רב-שכבתיים. (A) תמונה פלואורסצנטית של השכבה הראשונה עם כיוון ראשוני משמאל למטה לימין למעלה; (B) תמונה פלואורסצנטית של השכבה השנייה עם כיוון סיבים לא מיושר; (C) תמונה פלואורסצנטית של השכבה השלישית עם כיוון ראשי מימין למטה לשמאל למעלה; (D) תמונה פלואורסצנטית של כל שלוש השכבות המשולבות בפיגום אחד; (E) ניתוח כיוון סיבים עבור כל שלוש השכבות (שכבה 1: כחולה; שכבה 2: ירוק; שכבה 3: אדום); הגדלה = 400x (A-D); סרגלי קנה מידה = 100 מיקרומטר (A-D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
מדידת העובי נעשתה על 21 דגימות (איור 5A) (TEMP F3510-21). כל הדוגמאות נוצרו תוך החלת אותם פרמטרים. הטמפרטורה והלחות עשויות להיות שונות בין 20°C ל-26°C ו-26.1 °C ( 35% ו - 55% לחות, בהתאמה. התוצאות הראו עלייה ליניארית יחסית בעובי של כ-2.65 מיקרומטר לדקה.
ניסוי אחר הראה את העקביות של התוצאות לאחר 60 דקות של סיבוב תחת פרמטרים תואמים (איור 5B). הלחות והטמפרטורה עשויות להשתנות בין 35% ל-50% לחות ו-20°C עד 26°C(3°C) עד 26°C (76°F), בהתאמה. התוצאות היו פיגומים בעובי של בין 126 ל-181 מיקרומטר. העובי הממוצע היה 151.11 ± 13.17 מיקרומטר. העלייה בעובי הייתה כ-2.52 מיקרומטר לדקה, בממוצע.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig05.jpg"> איור 5: מדידת עובי. n = 21; מקדם מתאם (r) = 0.653; p** = 0.00132; (ב) עובי הדגימות לאחר 60 דקות; n = 13; קו אדום: מתכוון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig05large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
בדיקות מתיחה של פיגומי סיבים מיושרים ולא מתואמים בוצעו בשני כיוונים, לאורך הכיוון ההיקפי ובניצב אליו. כל דיס כלל 15 דגימות. דגימות הוצאו מפיגומי המטוסים על פי DIN 53504:2017-03. העובי נמדד בשלוש נקודות שונות על כל דגימה ושימש לחישוב ערכי הכוח המרביים לכל מ"מ מרובע.
ערכי העובי נעים בין 0.03 ל-0.2 מ"מ. ההשוואה בין חוזק המתיחה האולטימטיבי גילתה הבדל משמעותי (p < 0.001) בין הכיוונים של פיגומי הסיבים המיושרים (איור 6A). הפיגומים הגיעו לחוזק מרבי של 12.26 ± 2.59 N/mm2 לאורך הכיוון ההיקפי. חוזק המתיחה הופחת ל-3.86 ± 1.08 N/mm2 בכיוון הניצב.
פיגומי סיבים לא מותאמים אינם מראים הבדל בחוזק המתיחה האולטימטיבי עבור הכיוונים השונים (F1: 7.19 ± 1.75 N/mm2, F2: 7.54 ± 1.59 N/mm2; p = 0.60). הניתוח ההשוואתי של ההתארכות בהפסקה עבור פיגומי הסיבים המיושרים גילה הבדלים משמעותיים (עמ' < 0.001) בהתנתקות בין הכיוונים (איור 6B). ההרחבה הגיעה ל-187.01 ±-39.37% בכיוון ההיקף לעומת 107.16 ±-30.04% בכיוון הניצב.
לעומת זאת, ההתארכות בהפסקה של מחצלות הסיבים הלא מיושבות חשפה יכולת הרחבה אחידה בשני הכיוונים (F1: 269.74 ± 24.78 % ; F2: 285.01 ± 25.58 %; p = 0.69). עקומות מתח-מאמץ מייצגות מראות הבדלים עצומים בהתנהגות החומר, בהתאם לכיוון שבו מופעל כוח המתיחה. מחצלות סיבים לא מיושרות הראו התנהגות אלסטית ליניארית, בעוד שמשטיחי סיבים מיושרים הראו אי-ליניאריות בכיוון הצירי.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63604/63604fig06.jpg"> איור 6: בדיקות מתיחה של סיבים מיושרים ולא מתואמים. n = 15; (B) התארכות בהפסקה עבור מחצלות סיבים מיושרות ולא מיושרות בכיוונים היקפיים וציריים; n = 15; (C) עקומות מתח-מאמץ מייצגות של פיגומים מיושרים ולא מתואמים, הנמשכים בכיוונים ציריים וניקפיים, בהתאמה. (***עמ' < 0.001). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/63604fig06large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td style="min-width: 40px;"></td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;"></td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;"></td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">מדדי ייצור</td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;"></td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">שם</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">חומר</td>
			<td style="min-width: 60px;">כמות</td>
			<td style="min-width: 60px;">סה"כ זמן</td>
			<td style="min-width: 60px;">משקל כולל [ז]</td>
			<td style="min-width: 60px;">עלות [€ לק"ג]</td>
			<td style="min-width: 60px;">עלות כוללת</td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;">1</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">Specimen_Mount_A</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">PLA רגיל</td>
			<td style="min-width: 60px;">2</td>
			<td style="min-width: 60px;">18:19</td>
			<td style="min-width: 60px;">159</td>
			<td style="min-width: 60px;">51.33 €</td>
			<td style="min-width: 60px;">8.16 €</td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;">2</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">Specimen_Mount_B</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">PLA רגיל</td>
			<td style="min-width: 60px;">2</td>
			<td style="min-width: 60px;">19:42</td>
			<td style="min-width: 60px;">161</td>
			<td style="min-width: 60px;">51.33 €</td>
			<td style="min-width: 60px;">8.26 €</td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;">3</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">אוגן אספנים</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">PLA מוליך</td>
			<td style="min-width: 60px;">2</td>
			<td style="min-width: 60px;">10:40</td>
			<td style="min-width: 60px;">95</td>
			<td style="min-width: 60px;">99.98 €</td>
			<td style="min-width: 60px;">9.50 €</td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;">4</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">Leaflet_Inlet</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">PLA מוליך</td>
			<td style="min-width: 60px;">9</td>
			<td style="min-width: 60px;">05:32</td>
			<td style="min-width: 60px;">31</td>
			<td style="min-width: 60px;">99.98 €</td>
			<td style="min-width: 60px;">3.10 €</td>
		</tr>
<tr>
<td style="min-width: 40px;"></td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;">סך</td>
			<td colspan="2" style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;"></td>
			<td style="min-width: 60px;">29.02 €</td>
		</tr>
</tbody></table>טבלה 1: מדדי ייצור. טבלה המציינת כמות, זמן ייצור, כמות החומר הדרוש ועלויות עבור חלקים שהודפסו בתלת-ממד. קיצור: PLA = חומצה פולילקטית.
קובץ משלים 1: אוגן אספנים הניתן להתאמה. קובץ שלב להתאמה והדפסה של אוגן אספנים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Collector_Flange_adaptable.STEP" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ משלים 2: תבנית עלון. קובץ STL להדפסת תבנית עלון. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Leaflet_Template.STL" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ משלים 3: תושבת דגימה א'. קובץ STL כדי להדפיס דגימה הר A. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Specimen_Mount_A.STL" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ משלים 4: דגימה הר B. קובץ STL כדי להדפיס דגימה הר B. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Specimen_Mount_B.STL" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ משלים 5: אוגן אספנים. קובץ STL להדפסת אוגן אספנים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Collector_Flange.STL" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
קובץ משלים 6: חיבור מוט מתכת. שרטוט טכני לבניית מוטות מתכת מקשרים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63604/Connecting_Rod.zip" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets at JoVE.com

Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets

השיטה המוצגת מציעה דרך חדשנית להנדסת מבנים של סיבים ביומימטיים בפיגומים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) (למשל, עלוני מסתם לב). נעשה שימוש בגיאומטריות מוליכות מודפסות בתלת-ממד כדי לקבוע צורה וממדים. כיוון הסיבים ומאפייניו היו ניתנים להתאמה בנפרד עבור כל שכבה. ניתן לייצר דגימות מרובות בהגדרה אחת.

שילוב של הדפסה תלת-ממדית ואלקטרוספינינג לייצור עלוני מסתם לב ביומימטיים

Electrospinning has become a widely used technique in cardiovascular tissue engineering as it offers the possibility to create (micro-)fibrous scaffolds ...

מבנים תלת שכבתיים המורכבים מסיבים מכוונים ניתן למצוא בכל רחבי גוף האדם. ביישום שיטה זו, לא ניתן ליצור רק עלוני מסתם לב המחקים תנאים טבעיים, אלא גם מגוון של רקמות אחרות. זו הפעם הראשונה שאספנים מודפסים בתלת-ממד מתוך חומר מוליך משמשים באלקטרו-ספינינג, עובדה שהופכת את התהליך הזה לגמיש מאוד וחסכוני.כדי להתחיל, התחל הדפסה תלת-ממדית על-ידי העלאת דגימת קובץ STL הר A ודגימה הר B לתוכנת החיתוך. סובב את הדגמים כך שהמשטחים המשולשים יוצבו על לוח הבנייה. סמן את כל החלקים, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני ובחר הדגמים שנבחרו כפולים.הזן אחד במספר ההנחיה של העותקים ולחץ על אישור. הגדר את עובי הפרוסה ל-0.1 מילימטרים, עובי הדופן למילימטר אחד, צפיפות המילוי ל-40% ופתח את סימון תיבת התמיכה של היצירה. לחץ על לחצן פרוסה ולאחר מכן בחר שמור כדי נשלף כדי לשמור את קובץ ההדפסה בכונן USB. שמור את ההגדרות והחלף את קבצי STL באוגן אספנים ובתבנית עלון בתוכנת החיתוך.השתמש בכלי ההעתקה כדי ליצור עותק אחד של האוגן ושמונה עותקים של התבנית לפני תחילת ההדפסה. לאחר השלמת ההדפס, הסר את הדגמים מלוח הבנייה. הסר סיבי נימה בודדים בתחתית העלון שלילי בזהירות עם חותך חוט אם אלה נמצאים בדגמי העלונים.כדי להכין פתרון מסתובב, הניחו סולם מתחת למכסה המנוע של הפליטה. מקם עליו בקבוק זכוכית עם פקק בורג 200 מיליליטר וטרטר את הסולם. יוצקים 50 מיליליטרים של דימתילפורמיד ו-50 מיליליטרים של טטרהידרופורן לתוך בקבוק הזכוכית.שימו לב למשקל הממסים. מניחים מוט מגנטי בתוך הבקבוק. מניחים את הבקבוק על ערבוב מגנטי ומפעילים אותו.מעבירים את הכמות המתאימה של פוליאוריתן באיטיות לתוך בקבוק הזכוכית המכיל את תערובת הממסים תוך ערבוב בטמפרטורת החדר כדי לקבל תמיסה הומוגנית. לאחר מכן, סגרו את המכסה. הרכיבו את החלקים המודפסים בתלת-ממד יחד עם מוטות המתכת כדי ליצור את האספן ולוודא שכל התבניות מכוונות כראוי.מניחים את האספן המורכב במערך האלקטרוספינינג ומהדקים היטב את האוגנים לציר המנוע. באמצעות קליפס תנין, חברו את הכבל המחובר לקתודה למחט 14 המדים ובדקו את החיבור בין קליפס למחט. חבר את האספן לאנודה באמצעות תפס תנין וכבל המתח הגבוה השני.השתמש בטבעת החלקה או בכבל מופשט כדי ליצור קשר באוגן האספן. הכינו מזרק מנעול Luer על ידי מילויו ב-20 מיליליטרים של תמיסת הסיבוב. חברו את המזרק לצינור העמיד בפני ממסים ודחפו ידנית את התמיסה למערכת הצינורות עד שניתן יהיה לראות טיפה בקצה המחט.מניחים את המזרק במשאבת המזרק. לאחר הפעלת המשאבה, הגדר את הקוטר על 19.129 מילימטרים, נפח על חמישה מיליליטרים ומהירות על שלושה מיליליטרים לשעה. כדי לבדוק את הפעלת המנוע, התחברו לבקרת המנוע על ידי לחיצה על כפתור החיבור.לאחר החיבור, בחר את מצב פעולת מהירות הפרופיל ולחץ על כרטיסיית הפעולה הממוקמת בפינה השמאלית העליונה של המסך. בחר את לשונית מהירות הפרופיל מתחת ללחצן העצירה המהירה הממוסגר על ידי קו אדום. לאחר מכן הגדר את מהירות היעד של 200 סל"ד, תאוצת פרופיל של 100, האטה בפרופיל של 200 ועצירה מהירה של 5, 000.התחל את ריצת הבדיקה ובדוק את האספן אם יש חוסר איזון. עצור את המנוע על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה של המתג ושנה את מהירות היעד ל-2, 000 סל"ד. כדי לייצר את השכבה בתוכנת בקרת המנוע, לחץ על כפתור ההפעלה הפעל כדי להפעיל את המנוע.הפעילו את ספק הכוח במתח גבוה והתאימו את המתח הן לאנודה והן לקתודה עם קוטב המינוס כ-18 קילובולטים וקוטב הפלוס כ-1.5 קילובולטים. הפעילו את משאבת המזרק בקצב זרימה של שלושה מיליליטרים לשעה. שימו לב לקצה המחט להיווצרות חרוט טיילור ובהתאם לצורת החרוט בקצה המחט, התאימו את המתח בקתודה במרווחים של 100 וולט עד להקמת חרוט טיילור יציב.עצור את תהליך הסיבוב על ידי כיבוי יחידת אספקת החשמל, משאבת המזרק והמנוע. לאחר מכן שנה את מהירות היעד ל-10 סל"ד בתוכנת בקרת המנוע וחזור על תהליך ייצור השכבה כפי שתואר קודם לכן למשך 20 דקות נוספות. לאחר הוספת השכבה השנייה, פתחו בזהירות את הברגים המחברים את אוגני הקולט לציר המנוע והסירו את אספן העלונים ממכשיר האלקטרוספינינג.באמצעות אזמל, חותכים את סיבי האלקטרוספון לאורך קווי המתאר החיצוניים של כל תבנית עלון. הסר את האוגן בצד אחד של האספן. לאחר מכן שלפו את התוספות המודפסות בתלת-ממד והפרידו את תבניות העלונים מהמחזיקים המשולשים הלא מוליכים.סובבו את כל תבניות העלון ב-90 מעלות והרכיבו מחדש את האספן. הכנס את האספן לתוך מערך האלקטרוספינינג ואבטח אותו היטב. שוב, שנה את מהירות היעד בחזרה ל-2, 000 סל"ד בתוכנת בקרת המנוע והתחל את תהליך ייצור השכבה כפי שתואר קודם לכן למשך 20 דקות כדי להוסיף את השכבה השלישית של הסיבים.לאחר הסרת האספן ממכשיר האלקטרוספינינג, יבשו את הדגימות בארון חימום בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס. לאחר שהדגימות מיובשות לחלוטין, השתמשו באזמל כדי לחתוך בזהירות לאורך הקצוות של תבנית העלון כדי להסיר עודפי סיבים. לאחר מכן, קלפו בזהירות את פיגום העלון של התבנית והניחו אותו על מגש לשימוש נוסף.פיגום עלון תלת שכבתי מחקה את תצורת הקולגן של מסתם הלב האנושי המקומי וכל שכבה מורכבת מסיבים בקוטר של כ-4.1 מיקרומטר. סריקת הדמיית מיקרוסקופיית אלקטרונים גילתה סיבים מיושרים עם משטח חלק וכיוון קפדני בכיוון ההיקף, בעוד שסיבים לא מיושרים הראו כיוון לא תקין והצטלבויות בולטות רבות בין סיבים. הדמיה פלואורסצנטית גילתה כי השכבה התחתונה מורכבת מסיבים מיושרים בכיוון אופקי עם ההצטלבות הקטנה מאוד בין הסיבים.השכבה האמצעית מציגה סיבים לא מיושרים ללא כיוון סיבים ראשוני, ואילו השכבה העליונה מציגה סיבים מיושרים בכיוון מאונך. מדידת העובי מראה עלייה ליניארית בעובי של כ-2.65 מיקרומטר לדקה. לאחר 60 דקות נצפתה עלייה של כ-2.52 מיקרומטר לדקה בעובי.בדיקות מתיחה עבור פיגומי סיבים מיושרים הם בעלי חוזק של כ-12 ו-3 ניוטון למילימטר בריבוע לאורך הכיוון ההיקפי והניצבי. עם זאת, פיגומי סיבים לא מתואמים אינם מראים הבדל בחוזק המתיחה עבור כיוונים שונים. פיגומי הסיבים המיושרים חשפו יכולת הרחבה של כ-187% ו-107% בכיוון ההיקף והניצב, בעוד שהסיבים הלא מיושרים חשפו יכולת הרחבה אחידה בשני הכיוונים.עקומות מתח הראו כי מחצלות הסיבים הלא מיושרות מפגינות התנהגות אלסטית ליניארית, בעוד שהסיבים המיושרים חשפו אי-ליניאריות בכיוון הצירי. העלונים שנוצרו יכולים לשמש להערכה ביולוגית וביומכנית. כאשר שלושה מהם מורכבים כדי ליצור מסתם אבי העורקים פונקציונלי, ניתן לבצע מגוון רחב של ניסויים במבחנה.הפרוטוקול יאפשר לחוקרים עמיתים לא רק לייצר פיגומי סיבים רב שכבתיים, אלא גם לכוון סיבים. לכן, הם יוכלו לחקות סוגים רבים ושונים של רקמות.

Research

JoVE Journal

Medicine

Transplantation of Pulmonary Valve Using a Mouse Model of Heterotopic Heart Transplantation

השתלה של הריאה Valve שימוש במודל עכבר של Heterotopic לב והשתלות

Tissue engineered heart valves, especially decellularized valves, are starting to gain momentum in clinical use of reconstructive surgery with mixed ...

Fabrication of Small Caliber Stent-grafts Using Electrospinning and Balloon Expandable Bare Metal Stents

המצאה של קטני קליבר סטנט-שתל שימוש Electrospinning ו בלון להרחבת Bare Metal סטנטים

Stent-grafts are widely used for the treatment of various conditions such as aortic lesions, aneurysms, emboli due to coronary intervention procedures and ...

Standardized Technique of Aortic Valve Re-implantation for Valve-sparing Aortic Root Replacement

טכניקה סטנדרטית של שסתום אבי העורקים השרשה מחדש עבור שסתום ממעט אבי העורקים שורש חלופי

Despite the obvious advantages of the preservation of a normal aortic valve during aortic root replacement, the complexity of valve sparing procedures ...

Combining Volumetric Capnography And Barometric Plethysmography To Measure The Lung Structure-function Relationship

שילוב Capnography נפח Plethysmography הברומטרי כדי למדוד את מערכת היחסים מבנה-פונקציית ריאות

Tools to measure lung and airways volume are critical for pulmonary researchers interested in evaluating the impact of disease or novel therapies on the ...

Manufacture of a Multi-Purpose Low-Cost Animal Bench-Model for Teaching Tracheostomy

ייצור מדגם רב תכליתי של בעלי חיים בעלות נמוכה להוראה בקנה מאוזן

Tracheostomy is one of the most frequent procedures, performed through various techniques in the intensive care unit and emergency situations. Despite ...

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

Multicolor 3D הדפסה של גידולים בתוך-גולגולתי מורכב בנוירוכירורגיה

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

Combining Augmented Reality and 3D Printing to Display Patient Models on a Smartphone

שילוב מציאות רבודה והדפסה 3D כדי להציג מודלים החולה על הטלפון החכם

Augmented reality (AR) has great potential in education, training, and surgical guidance in the medical field. Its combination with three-dimensional (3D) ...

An Image Guided Transapical Mitral Valve Leaflet Puncture Model of Controlled Volume Overload from Mitral Regurgitation in the Rat

תמונה מונחית Transapical צניפי העלון נקב מודל של נפח מבוקרת עומס יתר מ צניפי אי-ספיקת בעכברוש

Mitral regurgitation (MR) is a widely prevalent heart valve lesion, which causes cardiac remodeling and leads to congestive heart failure. Though the ...

Creation of a High-Fidelity, Low-Cost, Intraosseous Line Placement Task Trainer via 3D Printing

יצירת מאמן משימות למיקום קו תוך-ממדי בנאמנות גבוהה, בעלות נמוכה ובעלות נמוכה באמצעות הדפסה תלת-ממדית

The description of procedural task trainers includes their use as a training tool to hone technical skills through repetition and rehearsal of procedures ...