Miglioramento della risoluzione indotta dalla complessazione dei costrutti di idrogel stampati in 3D

L’esclusivo metodo di restringimento migliora i costrutti di idrogel stampati in 3D

Un gruppo di autori internazionali approfondisce ulteriormente la bioprinting e le strutture che consentono di mantenere in vita le cellule durante l’ingegneria dei tessuti, rilasciando i loro risultati nel recente miglioramento della risoluzione indotta dalla complessazione dei costrutti di idrogel stampati in 3D . In questo studio, il team di ricerca si concentra sul trattamento post-stampa dei costrutti di idrogel, immergendoli in un solvente destinato a trasformare le dimensioni tramite un metodo di restringimento unico.

La stampa 3D sta influenzando il campo medico in molti modi e la bioprinting , l’ingegneria dei tessuti e la fabbricazione di una varietà di bioink e strutture di ponteggi sono una fonte di fascino in tutto il mondo mentre aspettiamo il massimo – veri organi umani stampati in 3D che alla fine potrebbero cambia il volto della medicina e, un giorno, elimina le liste di attesa per i pazienti bisognosi. Gli autori di quest’ultima ricerca sottolineano che, sebbene la stampa 3D e la bioprinting abbiano permesso di compiere passi da gigante, permangono delle limitazioni:

“… Le strategie di stampa esistenti hanno tutte risoluzioni minimamente producibili, che sono fattori di parametri multiplex, come l’hardware della stampante e le proprietà dell’inchiostro. Ad esempio, nella stampa per estrusione che utilizza idrogel come inchiostri, le risoluzioni sono generalmente sub-millimetriche per le microfibre erogate ”, spiegano i ricercatori.

“Lo stesso vale per la stampa coassiale microfluidica, dove i diametri delle microfibre cave create di solito rientrano nell’intervallo di circa duecento micrometri o più. Sebbene alcune altre strategie di stampa, come quelle basate sulla luce (ad es. Litografia a due fotoni) possano raggiungere vari gradi di risoluzioni più elevate, la loro strumentazione è di solito complicata limitando l’adozione più ampia per uso generale.

Molta ricerca è stata dedicata alla raffinazione di inchiostri e hardware per prestazioni migliori; tuttavia, gli autori sottolineano che molti progressi finora sono stati “poco pratici per alcune applicazioni”. Anche altri metodi proposti per migliorare gli idrogel mediante la tecnologia del restringimento sono leggermente diminuiti.

La riduzione della stampa, nota anche come miglioramento della risoluzione indotta dalla complessità nella stampa 3D, offre una risoluzione migliorata, senza la necessità di trasformare stampanti o inchiostro. Il team di ricerca ha utilizzato inchiostri anionici come metacrilato di acido ialuronico usato (HAMA), metacrilato di gelatina (GelMA) e alginato.

“Seguendo le procedure di stampa standard, sottoponiamo i costrutti di idrogel a base di HAMA, GelMA o alginato all’immersione in una soluzione di chitosano policationic”, hanno spiegato i ricercatori. “Attraverso la complessazione della carica e la successiva espulsione dell’acqua dai gel, si scopre che questi costrutti stampati si riducono nelle loro dimensioni lineari in vari gradi.”

La dimostrazione del concetto è stata eseguita tramite:

Stampa ad estrusione diretta
Stampa sacrificale
Stampa microfluidica a fibra cava
I ricercatori hanno anche dimostrato la versatilità di questa tecnica nell’uso dell’alginato polianionico per ridurre i costrutti policristici di idrogel a base di chitosano, oltre a mostrare successo nel mantenere le cellule in vita all’interno degli idrogel bioprintati.

a) Schemi che mostrano l’effetto di riduzione basato sulla compensazione della carica. b) Fotografia che mostra il cambiamento di dimensione dell’idrogel HAMA fabbricato (1,0 p / v%) prima (inferiore) e dopo il restringimento (superiore) del 2,0% p / v% di chitosano disciolto in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%. c) Rappresentazione schematica di un disco di idrogel HAMA unitamente alle dimensioni e alle corrispondenti analisi quantitative che mostrano le dimensioni e le variazioni di volume prima e dopo la riduzione in 2,0% p / v% di chitosano disciolto in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%. d) corrispondenti analisi quantitative che mostrano il restringimento degli idrogel HAMA in soluzione di acido perclorico (pH = 1,0) o in soluzioni acquose di acido acetico 1,0 v / v (pH = 4,7) con 2,0 w ​​/ v% di chitosano di pesi e tipi molecolari diversi . e) Immagini confocali che mostrano la diffusione di FITC-Q. soluzione di chitosano in PBS in un idrogel HAMA 2,0% p / v a 3 e 24 ore di restringimento. L’immagine in campo chiaro a 0 h funge da riferimento dimensionale dell’idrogel iniziale. f) Fotografia che mostra la variazione dimensionale degli idrogel di chitosano HMw (2,0 p / v%), dove quello inferiore era gonfio in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v% e quello superiore è stato ridotto in 2,0 w ​​/ v% di alginato in 1,0 v / v% di soluzione acquosa di acido acetico. ** P <0,01; ANOVA a una via (c, d, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd, (n = 3). 0 p / v% di alginato in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%. ** P <0,01; ANOVA a una via (c, d, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd, (n = 3). 0 p / v% di alginato in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%. ** P <0,01; ANOVA a una via (c, d, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd, (n = 3).

Idrogel cilindrici HAMA campione sono stati fabbricati per lo studio, con confronti osservati prima e dopo il restringimento del chitosano.

“Sebbene le concentrazioni di HAMA negli idrogel rimpiccioliti fossero molto più elevate di quelle dei costrutti iniziali, l’acqua era ancora il costituente principale che manteneva la loro natura di idrogel per varie applicazioni pertinenti”, hanno spiegato gli autori.

a) Schemi che mostrano il concetto di riduzione della stampa, in cui una struttura di idrogel stampata viene post-trattata per ridurne le dimensioni e ottenere una risoluzione più elevata. b, c) Mappatura della stampabilità degli inchiostri HAMA a diverse concentrazioni e pressioni di estrusione. d) Fotografie (in alto) e microfotografie (in basso) che mostrano variazioni dimensionali degli esagoni HAMA stampati (2,0 p / v%) immersi in 2,0% p / v% di chitosano HMw disciolto in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v% durante il processo di restringimento delle 24 ore . e, f) Le corrispondenti analisi quantitative delle variazioni di dimensione degli esagoni HAMA stampati (2,0 w ​​/ v%), includono la distanza da lato a lato e lo spessore f, durante il processo di restringimento delle 24 ore. g) Fotografie (in alto) e microfotografie (in basso) che mostrano variazioni dimensionali degli esagoni HAMA stampati (2,0 p / v%) a 2 ore e 24 ore di restringimento in diverse concentrazioni di chitosano HMw (0,5–5. 0 p / v%) sciolto in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%, h, i) Analisi quantitative corrispondenti delle variazioni di dimensione in h distanza da lato a lato e i spessore. j) Mappe di campi vettoriali che confrontano le immagini di restringimento di 24 ore (magenta) con le corrispondenti immagini di restringimento di 2 ore (verde) mediante un algoritmo di registrazione non rigido basato su B-spline, in cui le sovrapposizioni appaiono in bianco e le griglie mostrano distorsioni locali. Si noti che le immagini con restringimento di 2 ore sono state ridimensionate per adattarsi alle dimensioni delle immagini di restringimento di 24 ore per consentire i confronti. ** P <0,01; ANOVA unidirezionale (e, f, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd (e, f, n = 40; h, i, n = 10). j) Mappe di campi vettoriali che confrontano le immagini di restringimento di 24 ore (magenta) con le corrispondenti immagini di restringimento di 2 ore (verde) mediante un algoritmo di registrazione non rigido basato su B-spline, in cui le sovrapposizioni appaiono in bianco e le griglie mostrano distorsioni locali. Si noti che le immagini con restringimento di 2 ore sono state ridimensionate per adattarsi alle dimensioni delle immagini di restringimento di 24 ore per consentire i confronti. ** P <0,01; ANOVA unidirezionale (e, f, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd (e, f, n = 40; h, i, n = 10). j) Mappe di campi vettoriali che confrontano le immagini di restringimento di 24 ore (magenta) con le corrispondenti immagini di restringimento di 2 ore (verde) mediante un algoritmo di registrazione non rigido basato su B-spline, in cui le sovrapposizioni appaiono in bianco e le griglie mostrano distorsioni locali. Si noti che le immagini con restringimento di 2 ore sono state ridimensionate per adattarsi alle dimensioni delle immagini di restringimento di 24 ore per consentire i confronti. ** P <0,01; ANOVA unidirezionale (e, f, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd (e, f, n = 40; h, i, n = 10). ANOVA unidirezionale (e, f, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd (e, f, n = 40; h, i, n = 10). ANOVA unidirezionale (e, f, rispetto ai valori dei corrispondenti campioni preparati); media ± sd (e, f, n = 40; h, i, n = 10).

“In particolare, i nostri dati hanno mostrato che questi costrutti stampati potrebbero ridursi nelle loro dimensioni di gradi diversi, rispetto alle loro dimensioni originali. Inoltre, i risultati hanno indicato che questo metodo è ampiamente applicabile, vale a dire che una struttura di idrogel anionica stampata potrebbe essere ridotta da un polimero cationico o viceversa ”, hanno concluso i ricercatori. “Abbiamo infine dimostrato che il restringimento successivo potrebbe preservare, in maniera dipendente dal tipo di cellula, la vitalità delle cellule incorporate nelle matrici di idrogel stampate rispetto a una singola procedura di restringimento più lunga, rivelando le potenziali applicazioni del nostro metodo di stampa di restringimento verso la biofabbricazione dei tessuti.

“Prevediamo pertanto l’adozione diffusa della nostra tecnologia unica nella futura stampa di costrutti di idrogel per varie aree di applicazione con ulteriori ottimizzazioni.”

a) Illustrazioni schematiche dell’ugello coassiale della guaina del nucleo utilizzato come testina di stampa, in cui l’inchiostro viene erogato attraverso il flusso della guaina e la soluzione CaCl2 viene distribuita attraverso il flusso del nucleo. b) Stampa del costrutto cannulare e sua successiva contrazione. c, d) Fotografie e microfotografie che mostrano le variazioni di dimensione delle provette, stampate coassialmente con inchiostri contenenti diverse concentrazioni di HAMA (0,5–2,5 p / v%), prima e dopo 24 h di restringimento nel 2,0 w ​​/ v% di HMw chitosano sciolto in soluzione acquosa di acido acetico 1,0 v / v%. e, f, g) Le corrispondenti analisi quantitative del diametro (e, diametro interno; f, diametro esterno; g, spessore della parete) cambiano prima e dopo il restringimento. ** P <0,01; ANOVA a una via (e, f, g, rispetto alle corrispondenti strutture stampate); media ± sd (n = 40).

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