Bio-bläck

Biobläck är material som används för att producera konstruerad/konstgjord levande vävnad med hjälp av 3D-utskrift . Dessa bläck består till största delen av de celler som används, men används ofta tillsammans med ytterligare material som omsluter cellerna. Kombinationen av celler och vanligtvis biopolymergeler definieras som ett biobläck. De måste uppfylla vissa egenskaper, inklusive såsom reologiska , mekaniska, biofunktionella och biokompatibilitetsegenskaper, bland annat. Att använda biobläck ger en hög reproducerbarhet och exakt kontroll över de tillverkade konstruktionerna på ett automatiserat sätt. Dessa bläck anses vara ett av de mest avancerade verktygen för vävnadsteknik och regenerativ medicin (TERM).

Liksom termoplasterna som ofta används i traditionell 3D-utskrift , kan biobläck extruderas genom tryckmunstycken eller nålar till filament som kan bibehålla sin formtrohet efter avsättning. Däremot är biobläck känsliga för de normala 3D-utskriftsförhållandena .

Skillnader från traditionellt 3D-utskriftsmaterial

Tryckt vid mycket lägre temperatur (37 °C eller lägre)
Milda tvärbindningsförhållanden
Naturlig härledning
Bioaktiv
Cell manipulerbar

Tryckbarhet

Bioinkkompositioner och kemi är ofta inspirerade och härledda från befintliga hydrogelbiomaterial. Dessa hydrogelbiomaterial utvecklades dock ofta för att lätt kunna pipetteras och gjutas i brunnsplattor och andra formar. Att ändra sammansättningen av dessa hydrogeler för att tillåta filamentbildning är nödvändig för deras översättning som biotryckbara material. Biobläckens unika egenskaper erbjuder dock nya utmaningar när det gäller att karakterisera materialets tryckbarhet.

Traditionella bioprinttekniker innebär att material deponeras lager-för-lager för att skapa slutstrukturen, men 2019 introducerades en ny metod som kallas volumetrisk bioprinting. Volumetrisk bioprintning uppstår när ett biobläck placeras i en flytande cell och selektivt bestrålas av en energikälla. Denna metod kommer att aktivt polymerisera det bestrålade materialet och det kommer att utgöra den slutliga strukturen. Att tillverka biomaterial med hjälp av volymetrisk biotryck av biobläck kan avsevärt minska tillverkningstiden. Inom materialvetenskap är detta ett genombrott som gör att personanpassade biomaterial snabbt kan genereras. Förfarandet måste utvecklas och studeras kliniskt innan några större framsteg inom biotryckbranschen kan realiseras.

Till skillnad från traditionella 3D-utskriftsmaterial som termoplaster som i huvudsak är "fixerade" när de väl har skrivits ut, är biobläck ett dynamiskt system på grund av sitt höga vatteninnehåll och ofta icke-kristallina struktur. Biobläckets formtrohet efter filamentavsättning måste också karakteriseras. Slutligen måste trycktrycket och munstycksdiametern tas med i beräkningen för att minimera skjuvspänningarna som utsätts för biobläcket och på eventuella celler i biobläcket under tryckprocessen. För höga skjuvkrafter kan skada eller lysera celler, vilket negativt påverkar cellviabiliteten.

Viktiga överväganden när det gäller tryckbarhet inkluderar:

Enhetlighet i filamentdiameter
Vinklar vid växelverkan mellan filament
"Blödning" av filament tillsammans vid korsningar
Upprätthållande av formtrohet efter tryckning men före tvärbindning
Trycktryck och munstycksdiameter
Utskriftsviskositet
Gelningsegenskaper

Klassificering av biobläck

Strukturell

Strukturella biobläck används för att skapa ramverket för det önskade trycket med material som alginat, decellulariserat ECM, gelatiner och mer. Genom valet av material kan du kontrollera mekaniska egenskaper, form och storlek samt cellviabilitet. Dessa faktorer gör denna typ till en av de mer grundläggande men ändå en av de viktigaste aspekterna av en biotryckt design.

Offer

Sacrificial biobläck är material som kommer att användas för att stödja under utskrift och sedan tas bort från trycket för att skapa kanaler eller tomma områden inom den yttre strukturen. Kanaler och öppna ytor är oerhört viktiga för att möjliggöra cellulär migration och transport av näringsämnen, vilket gör dem användbara om man försöker designa ett vaskulärt nätverk. Dessa material måste ha specifika egenskaper beroende på det omgivande materialet som behöver stanna såsom vattenlöslighet, nedbrytning under vissa temperaturer eller naturlig snabb nedbrytning. Icke tvärbundna gelatiner och pluronics är exempel på potentiellt offermaterial.

Funktionell

Funktionella biobläck är några av de mer komplicerade formerna av bläck, dessa används för att styra celltillväxt, utveckling och differentiering. Detta kan göras i form av att integrera tillväxtfaktorer, biologiska ledtrådar och fysiska ledtrådar som ytstruktur och form. Dessa material kan beskrivas som de viktigaste eftersom de är den största faktorn för att utveckla en funktionell vävnad såväl som strukturrelaterad funktion.

Stöd

Biotryckta strukturer kan vara extremt ömtåliga och tunna på grund av invecklade strukturer och överhäng i den tidiga perioden efter tryckning, dessa stödstrukturer ger dem chansen att ta sig ur den fasen. När konstruktionen är självbärande kan dessa tas bort. I andra situationer, såsom att introducera konstruktionen till en bioreaktor efter utskrift, kan dessa strukturer användas för att möjliggöra enkel gränssnitt med system som används för att utveckla vävnaden i en snabbare takt.

Polysackarider

Alginat

Alginat är en naturligt härledd biopolymer från cellväggen av brunt tång som har använts i stor utsträckning inom biomedicin på grund av dess biokompatibilitet, låga cytotoxicitet, milda gelningsprocess och låga kostnad. Alginater är särskilt lämpliga för bioprinting på grund av deras milda tvärbindningsförhållanden via inkorporering av tvåvärda joner såsom kalcium. Dessa material har antagits som biobläck genom att öka deras viskositet. Dessutom kan dessa alginatbaserade biobläck blandas med andra material som nanocellulosa för applicering i vävnader som brosk.

Eftersom snabb gelning leder till god tryckbarhet, använder biotryck huvudsakligen alginat , modifierat alginat ensamt eller alginat blandat med andra biomaterial . Alginat har blivit den mest använda naturliga polymeren för bioprinting och är troligen det vanligaste materialet för in vivo- studier.

Gellan Gum

Gellangummi är en hydrofil och högmolekylär anjonisk polysackarid som produceras av bakterier. Det är mycket likt alginat och kan bilda en hydrogel vid låga temperaturer. Det är till och med godkänt för användning i livsmedel av United States Food and Drug Administration ( FDA). Gellangummi används främst som gelningsmedel och stabilisator. Den används dock nästan aldrig ensam för bioprintningsändamål.

Agaros

Agaros är en polysackarid som utvinns från marina alger och röda alger. Det används ofta i elektroforesapplikationer såväl som vävnadsteknik för dess gelningsegenskaper. Smält- och gelningstemperaturerna för agaros kan modifieras kemiskt, vilket i sin tur gör dess tryckbarhet bättre. Att ha ett biobläck som kan modifieras för att passa ett specifikt behov och tillstånd är idealiskt.

Proteinbaserade biobläck

Gelatin

Gelatin har använts i stor utsträckning som ett biomaterial för konstruerade vävnader. Bildandet av gelatinställningar dikteras av de fysiska kedjeförvecklingarna av materialet som bildar en gel vid låga temperaturer. Vid fysiologiska temperaturer sjunker emellertid gelatinets viskositet avsevärt. Metakrylering av gelatin är ett vanligt tillvägagångssätt för tillverkning av gelatinställningar som kan tryckas och bibehålla formtrohet vid fysiologisk temperatur.

Kollagen

Kollagen är huvudproteinet i den extracellulära matrisen hos däggdjursceller. På grund av detta besitter kollagen vävnadsmatchande fysikalisk-kemiska egenskaper och biokompatibilitet. Utöver detta har kollagen redan använts i biomedicinska tillämpningar. Vissa studier som kollagen har använts i är konstruerad hudvävnad, muskelvävnad och även benvävnad.

Syntetiska polymerer

Pluronics

Pluronics har använts i tryckapplikationer på grund av deras unika gelningsegenskaper. Under fysiologiska temperaturer uppvisar pluronics låg viskositet. Men vid fysiologiska temperaturer bildar pluronics en gel. Den bildade gelén domineras emellertid av fysiska interaktioner. Ett mer permanent pluronic-baserat nätverk kan bildas genom modifiering av pluronic-kedjan med akrylatgrupper som kan vara kemiskt tvärbundna.

PINNE

Polyetylenglykol (PEG ) är en syntetisk polymer som syntetiseras genom etylenoxidpolymerisation . Det är ett gynnsamt syntetiskt material på grund av dess skräddarsydda men typiskt starka mekaniska egenskaper. PEG-fördelar inkluderar också icke-cytotoxicitet och icke-immunogenicitet. PEG är dock bioinert och måste kombineras med andra biologiskt aktiva hydrogeler.

Andra bio-bläck

Decellulariserad ECM

Decellulariserade extracellulära matrisbaserade biobläck kan härledas från nästan vilken däggdjursvävnad som helst. Organ som hjärta, muskler, brosk, ben och fett decellulariseras, lyofiliseras och pulveriseras för att skapa en löslig matris som sedan kan formas till geler. Dessa biobläck har flera fördelar jämfört med andra material på grund av deras härledning från mogen vävnad. De består av en komplex blandning av ECM-strukturella och dekorerande proteiner som är specifika för deras vävnadsursprung och ger vävnadsspecifika signaler till celler. Ofta är dessa biobläck tvärbundna genom termisk gelning eller kemisk tvärbindning såsom genom användning av riboflavin.

Se även