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

Эта работа была поддержана Программой ученых-клиницистов в области сосудистой медицины (PRIME), финансируемой Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкий исследовательский фонд), проект No 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>

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Описанный протокол представляет две инновации в области (сердечно-сосудистой) тканевой инженерии: недорогое изготовление полностью 3D-печатных фантомов для электроспиннинга и использование универсального коллектора для производства адаптируемых, многослойных листовок сердечного клапана.
В последнее время 3D-печать стала ценным инструментом для производства лабораторного оборудования, например, биореакторов или изготовления и тестирования установок11,12. Таким образом, удалось изготовить электроспиннинговую установку, представленную в данном исследовании, за короткий промежуток времени и за доступный бюджет (таблица 1). Это согласуется с предыдущими выводами о недорогом производстве электроспиннинговых установок с использованием 3D-печати13.
Более того, насколько известно авторам, это первый случай, когда проводящий материал для 3D-печати был использован для создания электроспиннингового коллектора для листовок сердечного клапана. До сих пор 3D-печатные коллекторы были либо изготовлены металлическим лазерным спеканием14 , либо с использованием непроводящей полимерной печати и последующей постобработки с проводящим покрытием15. В отличие от этого нового подхода, эти процедуры находятся в значительном невыгодном положении, поскольку они дороже, занимают гораздо больше времени или требуют больше ручного труда.
Электроспиннинг зависит от множества переменных, которые влияют на морфологию создаваемых волокон. Хотя на рынке доступны различные коммерческие установки для электроспиннинга, многие исследовательские группы используют высоко индивидуализированные установки для удовлетворения своих конкретных потребностей16. Принимая это во внимание, описанные значения в этом протоколе (напряжение, расстояние и скорость вращения), возможно, потребуется адаптировать для отдельных установок и следует рассматривать как отправную точку, а не фиксированные значения. Кроме того, известно, что параметры окружающей среды могут оказывать существенное влияние на результаты электроспиннинга17,18. Поэтому настоятельно рекомендуется контролировать, по крайней мере, температуру и влажность внутри электроспинкнинговой установки. Получены оптимальные результаты электроспиннинга в пределах 15-20% относительной влажности при температуре от 21 до 24 °C. Для соблюдения этого протокола необходимо следующее оборудование: двигатель, способный разогнать коллектор весом около 300 г до оборотной скорости 2000 об/мин, шприцевой насос, подходящий для малых объемных расходов 1-3 мл/ч, и двухполюсный блок питания, способный ±20 кВ постоянного тока (DC).
В соответствии с предыдущими исследованиями удалось визуализировать волокнистую структуру электрораспыленных каркасов с помощью флуоресцентной микроскопии19. Удалось успешно продемонстрировать многослойную структуру каркаса, в том числе изменяющуюся ориентацию волокон. Особенно при работе с несколькими слоями или несколькими материалами введение флуоресцентных красителей следует рассматривать как стандартную процедуру строгого контроля качества. Это могло бы улучшить визуальную оценку результатов после изменения параметров или протокола рабочего процесса. Применение красителя в каркасах для использования для оценки in vivo или in vitro не может быть рекомендовано. Это важно, чтобы избежать вмешательства в устоявшиеся аналитические методы.
Имитация естественной морфологии сердечного клапана имеет большое значение для получения тканеинженерной реплики, которая будет использоваться в качестве протеза сердечного клапана (рисунок 4B). Было показано, что специфическая геометрия клапана оказывает большое влияние на ремоделирование in vivo 20. В этом контексте 3D-печать геометрии листовки для электроспиннинга имеет преимущество, так как итерации просты и быстры в реализации. Даже производство персонализированной геометрии клапанов мыслимо, и последующая разработка индивидуальных и персонализированных 3D-моделей аномалий сердечного клапана, например, в учебных целях, возможна.
Дальнейшее улучшение тканеинженерных свойств сердечного клапана находится в центре текущих исследовательских усилий, поскольку несколько исследовательских групп работали над разработкой многослойных каркасов с определенными ориентациями волокон. Masoumi et al. изготовили композитные каркасы из формованного слоя полиглицерина себаката и электропрядных поликапролактонных (PCL) волоконных матов21. Таким образом, тройной слой может быть создан из двух ориентированных электропрядных слоев, разделенных листом микрофабрикатного полиглицерина себаката. Однако, в отличие от каркасов под рукой, они не были в 3D-форме и не имитировали средний слой (spongiosa). Другой подход к получению биоинспирированного тканеинженерного сердечного клапана был использован Jana et al.22,23. Они успешно изготовили трехслойные каркасы с ориентированными волокнами с использованием алюминиевых коллекторов для электроспиннинга на основе PCL. Опять же, эти каркасы также представляли морфологические несовершенства, так как они имеют только 2D-вид, а окончательный каркас пронизан спицами.
Несмотря на то, что протокол дает подробную информацию о том, как производятся 3D, трехслойные листки сердечного клапана, есть еще несколько шагов, необходимых для создания фактического протеза сердечного клапана. Стент диаметром 24 мм рекомендуется для листовок, описанных здесь. В дополнение к используемому стенту, листочки могут быть снабжены дополнительными опорными конструкциями для сшивания. Чтобы обеспечить максимальную гибкость, листовки, показанные здесь, не индивидуализированы для конкретного дизайна стента. Это можно сделать, просто изменив шаблон с помощью программного обеспечения САПР.
Хотя представленный метод используется для тканевой инженерии сердечного клапана, он будет легко применим для электроспиннинговых установок в ортопедии24, урологии25, отоларингологии26 и других. Производство сложных и/или индивидуализированных 3D-конструкций возможно путем реализации других 3D-печатных коллекционеров. Хотя материал коллектора изменился, принцип электрошпиннинга остается нетронутым27. Поэтому использование различных полимеров теоретически возможно, хотя может потребоваться корректировка параметров электроспиннинга.
В целом, представленный протокол описывает простой и экономически эффективный способ производства многослойных листовок сердечного клапана. Применение 3D-печати позволяет быстро адаптировать и модифицировать коллектор и вставки. Это позволяет производить специфические для пациента протезы без сложного процесса изготовления, например, металлических коллекторов. Несколько образцов могут быть созданы за один прогон в одинаковых условиях. Таким образом, разрушающие испытания материала могут быть выполнены на образцах с преимуществом наличия (почти) идентичных образцов, оставшихся для создания фактического клапана. Включение файлов печати в качестве дополнительных файлов в это исследование предназначено для поддержки продвижения многослойных каркасов сердечных клапанов. Этот новый метод электроспиннинга также имеет высокий потенциал для других областей регенеративной медицины, поскольку модифицированные коллекторы и другие 3D-печатные, вращающиеся шаблоны просты в реализации.

Сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти в западных странах 1. Хотя в этой области проводятся обширные исследования, по оценкам, бремя дегенеративного заболевания сердечного клапана еще больше возрастет в течение следующих лет2. Хирургическая или интервенционная замена сердечного клапана возможна в качестве терапевтического варианта. На данный момент доступны механические и биопротезные клапаны сердца, оба с индивидуальными недостатками. Механические клапаны являются тромбогенными и требуют пожизненной антикоагуляции. Хотя биологические клапаны не требуют антикоагуляции, они показывают отсутствие ремоделирования, высокую скорость кальцификации и сопутствующую деградацию3.
Тканеинженерные сердечные клапаны могут быть в состоянии устранить эти недостатки, введя микрофибросчатый каркас в организм, который позволяет ремоделировать in vivo. Доступны различные методы, например, электроспиннинг (ESP), децеллюляризация, микроформование, спрей, дип-покрытие и 3D-биопечать. Эти методы могут быть выбраны для создания конкретных свойств, будучи дешевле и быстрее, или просто из-за отсутствия альтернатив. Методы и материалы могут быть даже объединены для создания более сложных структур4. Например, ESP был стандартным методом для создания каркасов в тканевой инженерии, позволяющим комбинировать различные материалы и регулировать диаметры волокон, ориентацию волокон и пористость4. Кроме того, различные методы постобработки позволяют оптимизировать ремоделирование тканей, улучшить гемосовместимость и регулировать биодеградацию электрораспыленных каркасов 5,6,7.
В базовом ЭСВ используются либо статические, либо вращающиеся коллекторы, которые оказывают непосредственное влияние на степень выравнивания волокна и полученные диаметры волокон8. Из-за производственных ограничений классические вращающиеся коллекторы ESP состоят из вращающихся барабанов, дисков, проволоки или металлических стержней. Внедрение 3D-печати позволяет создавать более индивидуализированные коллекторные геометрии, не ограниченные традиционными технологиями изготовления. Эта индивидуализация особенно полезна для создания 3D-конструкций, таких как листовки сердечных клапанов.
Естественная трехслойная (фиброза, губчатая, желудочковая) архитектура створок сердечного клапана человека является реакцией тканей на механические силы и напряжение сдвига, которым они подвергаются во время сердечного цикла 9,10. Волокна lamina fibrosa ориентированы по окружности, тогда как волокна lamina spongiosa случайным образом выровнены, а волокна lamina ventricularis радиально. Таким образом, предлагается трехслойный слой с соответствующими ориентациями волокон для имитации свойств этих клапанов в тканеинженерном каркасе.
Протокол рабочего процесса описывает инновационный метод производства трехслойных 3D-листовок сердечного клапана с использованием 3D-печати и электроспиннинга. Кроме того, представлен этап контроля качества для обеспечения точной ориентации волокна в каждом слое.

<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

Электроспиннинг стал широко используемым методом в сердечно-сосудистой тканевой инженерии, поскольку он предлагает возможность создания (микро)волокнистых каркасов с регулируемыми свойствами. Целью этого исследования было создание многослойных каркасов, имитирующих архитектурные характеристики волокон буклетов сердечного клапана человека, с использованием проводящих 3D-печатных коллекторов.
Модели створок аортального клапана были созданы с использованием коммерческого программного обеспечения автоматизированного проектирования (CAD). Проводящая полимолочная кислота использовалась для изготовления 3D-печатных шаблонов листовок. Эти негативы были интегрированы в специально разработанную, вращающуюся электроспиннинговую оправку. Три слоя полиуретана были раскручены на коллекторе, имитируя ориентацию волокон клапанов сердца человека. Структура поверхности и волокна оценивалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Применение флуоресцентного красителя дополнительно позволило микроскопическую визуализацию многослойной структуры волокна. Испытания на растяжение проводились для оценки биомеханических свойств строительных лесов.
3D-печать необходимых деталей для электроспиннинговой установки была возможна в короткие сроки при низком бюджете. Выступы аортального клапана, созданные по этому протоколу, были трехслойными, с диаметром волокна 4,1 ± 1,6 мкм. Флуоресцентная микроскопия выявила отдельные слои с по-разному выровненными волокнами, причем каждый слой точно достигал желаемой конфигурации волокна. Изготовленные строительные леса показали высокую прочность на растяжение, особенно по направлению выравнивания. Файлы печати для различных коллекторов доступны в виде дополнительного файла 1, дополнительного файла 2, дополнительного файла 3, дополнительного файла 4 и дополнительного файла 5.
С помощью узкоспециализированного протокола настройки и рабочего процесса можно имитировать ткани со сложными волоконными структурами в нескольких слоях. Прядение непосредственно на 3D-печатных коллекторах создает значительную гибкость в изготовлении 3D-форм при низких производственных затратах.

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

Представленный способ предлагает инновационный способ проектирования биомиметических волоконных структур в трехмерных (3D) каркасах (например, листовки сердечного клапана). Для определения формы и размеров использовались 3D-печатные, проводящие геометрии. Ориентация и характеристики волокна индивидуально регулировались для каждого слоя. Несколько образцов могут быть изготовлены в одной установке.

Сочетание 3D-печати и электроспиннинга для производства биомиметических листовок сердечного клапана

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

Трехслойные структуры, состоящие из ориентированных волокон, можно найти по всему телу человека. Применяя этот метод, не только создаются листочки сердечного клапана, имитирующие естественные условия, но и множество других тканей. Это первый раз, когда 3D-печатные коллекторы из проводящего материала были использованы в электроспиннинге, что делает этот процесс очень гибким и экономически эффективным.Для начала начните 3D-печать, загрузив STL-файл образца A и образец B в программное обеспечение для нарезки. Поверните модели так, чтобы треугольные поверхности были размещены на пластине сборки. Пометьте все детали, щелкните правой кнопкой мыши и выберите умножить выбранные модели.Введите одно из них в запрашиваемом количестве копий и нажмите кнопку ОК. Установите толщину среза на 0,1 миллиметра, толщину стенки на один миллиметр, плотность заполнения на 40% и снимите флажок генерировать опорный блок. Нажмите кнопку фрагмента и выберите Сохранить в съемный, чтобы сохранить файл печати на USB-накопителе. Сохраните настройки и замените файлы STL на коллекторный фланец и шаблон листовки в программном обеспечении для нарезки.Используйте инструмент копирования для создания одной копии фланца и восьми копий шаблона перед началом печати. После завершения печати извлеките модели из сборочной пластины. Удалите отдельные волокна нити на дне листка-негатива осторожно с помощью проволочного резака, если они присутствуют в моделях листовок.Чтобы приготовить вращающийся раствор, поместите весы под вытяжной капот. Поместите на него стеклянную бутылку с винтовой крышкой 200 миллилитров и нанесите на нее краску. Налейте в стеклянный флакон 50 миллилитров диметилформамида и 50 миллилитров тетрагидрофурана.Обратите внимание на вес растворителей. Поместите магнитный стержень внутрь бутылки. Поместите флакон на магнитный перемешивание и включите его.Медленно передавайте соответствующее количество полиуретана в стеклянную бутылку, содержащую смесь растворителей, при перемешивании при комнатной температуре для получения однородного раствора. После этого закройте крышку. Соберите 3D-печатные детали вместе с металлическими стержнями, чтобы создать коллектор и убедиться, что все шаблоны ориентированы правильно.Поместите собранный коллектор в электрошпиннинговую установку и плотно прикрепите фланцы к оси двигателя. С помощью крокодилового зажима подключите кабель, подключенный к катоду, к игле 14 калибра и проверьте соединение между зажимом и иглой. Подключите коллектор к аноду с помощью крокодилового зажима и второго высоковольтного кабеля.Используйте скользящее кольцо или зачищенный кабель для создания контакта на фланце коллектора. Приготовьте шприц Luer Lock, заполнив его 20 миллилитрами прядильного раствора. Подключите шприц к стойкой к растворителям трубке и вручную протолкните раствор в систему трубки, пока на кончике иглы не появится капля.Поместите шприц в шприцевой насос. После включения насоса установите диаметр в 19,129 миллиметра, объем в пять миллилитров и скорость в три миллилитра в час. Чтобы проверить запуск двигателя, подключитесь к элементу управления двигателем, нажав кнопку подключения.После подключения выберите режим работы скорости профиля и нажмите на вкладку операции, расположенную в левом верхнем углу экрана. Выберите вкладку скорости профиля под кнопкой быстрой остановки, обрамленной красной линией. Затем устанавливают целевую скорость 200 об/мин, ускорение профиля 100, замедление профиля 200 и быструю остановку 5 000.Запустите тестовый запуск и проверьте коллектор на наличие дисбаланса. Остановите двигатель, нажав кнопку включения переключателя и измените целевую скорость до 2000 об/мин. Чтобы изготовить слой в программном обеспечении управления двигателем, нажмите кнопку включения управления, чтобы включить двигатель.Включите высоковольтный источник питания и отрегулируйте напряжение как для анода, так и для катода с минусовым полюсом в 18 киловольт и плюс-полюсом в 1,5 киловольта. Запустите шприцевой насос со скоростью потока три миллилитра в час. Наблюдайте за кончиком иглы для образования конуса Тейлора и в зависимости от формы конуса на кончике иглы регулируйте напряжение на катоде с шагом 100 вольт до тех пор, пока не будет установлен стабильный конус Тейлора.Остановите процесс прядения, выключив блок питания, шприцевой насос и двигатель. Затем измените целевую скорость до 10 оборотов в минуту в программном обеспечении управления двигателем и повторите производственный процесс слоя, как описано ранее, в течение еще 20 минут. После того, как второй слой был добавлен, аккуратно откройте винты, соединяющие фланцы коллектора с осью двигателя, и извлеките коллектор листовки из электрошпиннингового устройства.С помощью скальпеля вырежьте электропрядные волокна по внешнему контуру каждого шаблона листовки. Снимите фланец с одной стороны коллектора. Затем вытащите 3D-печатные вставки и отделите шаблоны листовок от непроводящих треугольных держателей.Поверните все шаблоны листовок на 90 градусов и соберите коллектор заново. Вставьте коллектор в электроспиннинговую установку и плотно закрепите его. Опять же, измените целевую скорость обратно на 2000 об/мин в программном обеспечении управления двигателем и запустите производственный процесс слоя, как описано ранее, в течение 20 минут, чтобы добавить третий слой волокон.После извлечения коллектора из электроспиннингового устройства высушите образцы в нагревательном шкафу при 40 градусах Цельсия. После того, как образцы полностью высушены, используйте скальпель, чтобы аккуратно разрезать по краям шаблона листочка, чтобы удалить излишки волокон. После этого тщательно очистите каркас шаблона и поместите его на лоток для дальнейшего использования.Трехслойный каркас-листок имитирует коллагеновую конфигурацию родного сердечного клапана человека, и каждый слой состоит из волокон диаметром около 4,1 микрометра. Сканирующая электронная микроскопия показала выровненные волокна с гладкой поверхностью и строгой ориентацией в окружном направлении, в то время как невыровненные волокна показали неупорядоченную ориентацию и многие заметные пересечения между волокнами. Флуоресцентная визуализация показала, что нижний слой состоит из выровненных волокон в горизонтальной ориентации с очень небольшим пересечением между волокнами.Средний слой показывает невыровненные волокна без ориентации первичного волокна, в то время как верхний слой показывает выровненные волокна в перпендикулярной ориентации. Измерение толщины показывает линейное увеличение толщины примерно на 2,65 микрометра в минуту. Через 60 минут наблюдалось увеличение толщины примерно на 2,52 микрометра в минуту.Испытания на растяжение для выровненных волоконных каркасов имеют прочность приблизительно 12 и 3 ньютона на миллиметровый квадрат вдоль окружности и перпендикулярной ориентации. Однако невыровненные волоконные каркасы не показывают различий в прочности на растяжение для разных ориентаций. Выровненные волоконные каркасы показали растяжимость примерно на 187 и 107% в окружном и перпендикулярном направлении, в то время как невыровненные волокна показали равномерную расширяемость в обоих направлениях.Кривые деформации напряжения показали, что невыровненные волоконные маты демонстрируют линейное упругое поведение, в то время как выровненные волокна показали нелинейность в осевом направлении. Созданные листовки могут быть использованы для биологической и биомеханической оценки. Когда три из них собраны для создания функционального аортального клапана, может быть выполнен широкий спектр экспериментов in vitro.Протокол позволит коллегам-исследователям не только изготавливать многослойные волоконные каркасы, но и ориентировать волокна. Поэтому они смогут имитировать множество различных типов тканей.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

Трансплантация клапана легочной артерии с помощью мыши Модель гетеротопической Трансплантация сердца

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

Изготовление малых калибров стент-графтов Использование электроформования и на воздушном шаре Расширяемый Bare Metal стенты

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

Стандартного метода повторного имплантации аортальный клапан для клапана щадящие аорты корень замена

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

Сочетание объемного Capnography и барометрический плетизмографии для измерения связи структура функция легких

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

Изготовление многоцелевой недорогой животных-модель для преподавания трахеостомии

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

Многоцветная 3D печать сложных внутричерепных опухолей в нейрохирургии

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

Сочетание дополненной реальности и 3D-печати для отображения моделей пациентов на смартфоне

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

Изображение руководствоваться Transapical Mitral Valve Листовка Прокол Модель контролируемого объема перегрузки от Mitral Regurgitation в Крыса

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

Создание высокоточного, недорогого, внутрикостного тренажера для размещения линий с помощью 3D-печати

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