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科学家用生物3D打印技术为干细胞工程提供细菌负载微凝胶

随着3D打印在医疗生物研究中的重要地位,科学家们创造了新的生物3D打印墨水,研发出渐进式微流体技术等。最近格拉斯哥大学研究出细菌负载微凝胶作为干细胞工程的自主3D环境,本研究开发了一步法微流体系统,该系统能够将干细胞和基因工程非致病细菌包裹在所谓的3D珍珠花边状藻酸盐微凝胶中,具有高水平的单分散性和细胞活力。

在研究中,虽然大多数技术依赖于液滴挤出,但研究人员正在通过一步液滴微流体方法创建更高效的系统。珠光带微凝胶的制备在生理pH下发生,没有任何护套材料,通道尺寸和总体设计意味着避免细胞上的剪切应力并促进活力。

制备的凝胶构建体是独特的,其具有如在单个微胶囊中的间隔单元以及在纤维构建体中发现的连接性。还有,间隔微小区和连接它们的连接是高度可调的,从而产生高度单分散的珍珠 - 花边互连结构。与制造过程相关的是,与互连单元相比,珍珠单元除了受到抑制的剪切应力之外还受益于较慢的交联。该技术允许制造具有前所未有的精确度和控制的分区但链接的载有细胞的水凝胶,这已被用作低成本的3D生物印刷原型。

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(基于液滴的微流体设置)

(A)微流体装置的示意图和原核和真核细胞的包封。

(B)基于毛细管的微流体装置的图像。

(C)微流体装置中珍珠形成的快照,其中指示用于量化组装的珍珠的参数。

(D)具有相应流速的螺纹厚度图(Y轴:水流; X轴:油流)。

(E)螺纹厚度图。

(F)珍珠区图。

对于这个项目,研究人员创建了一个体外3D模型,用于研究真核生物(骨髓间充质干细胞,hBM-MSC)和原核细胞(工程化非致病细菌乳酸乳球菌, 乳酸乳球菌)之间的共生共生 。

虽然细菌通常被用作生物打印中蛋白质的负担得起的“生产有机体”,但它们也可以作为指导细胞生长和分化的机制。格拉斯哥研究人员还使用抑菌抗生素磺胺甲恶唑来预防有害细菌的生长。

制作了四种3D打印形状,包括直线,三角形,正方形和圆形,排列如下:

线 - 两个圆盘(180度角)

三角形(60度内角)

方形四角(内角90度)

八个为圆形(135度内角,八角形)

微流体系统使研究人员能够创建“单分散”构建体,适用于药物筛选,生物学研究和个性化医疗等应用。

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(载有细胞的藻酸盐构建体的SEM图像,基础培养基中藻酸盐微凝胶与MSC的相差图像)

(A); 海藻酸钠微凝胶与成骨培养基中的MSC

(B); 含有两个乳酸乳球菌

(C)菌落的MSC的藻酸盐微凝胶,其以组成型方式表达FNIII 7-10或BMP-2。培养两周后固定样品。比例尺:100μm。在基础培养基中用MSC构建藻酸盐的SEM图像,图像显示在藻酸盐构建体的横截面上由细胞施加的标记

(D); 含有MSC的藻酸盐微凝胶和乳酸乳球菌的两个菌落超过空间

(E); 藻酸盐微凝胶,MSC在成骨培养基中,圆形实体覆盖细胞,腔和细膜样构建体

(F)。与它们在水性介质中的状态相比,水凝胶略微脱水/收缩

珍珠花边水凝胶的连接性可以提供一种梯度研究方法,其中每种细胞类型的种群可以控制其相对密度。它还可用于时间序列索引研究,并为本研究中展示的低成本,易于制造的3D生物印刷原型提供平均值。

本研究中的微凝胶已被用作对可调平台进行建模的概念验证,其中水凝胶作为ECM以及生长因子的产生和释放均可以低成本设计,具有高精度的时空控制。它一直试图进一步设计体外系统的更多方面,为细胞研究铺平道路,并与可调节动态ECM样环境的相互作用进行更大的控制。

随着生物打印的进展继续在全球研究中占据主导地位,科学家们创造了新的生物打印墨水,3D打印微表面,渐进式微流体技术等等。

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(微珠的单分散性,包封性和活力)

(A)在层流条件下使用500μlh-1的流速和对于外相的5000μlh-1的流动速率,在两个可混溶的流体流的生成的水凝胶的珠粒尺寸(长轴)分布。对每种条件分析N≥5-10微凝胶。形成的珍珠的平均长度为167μm,RSD为3.2%。比例尺:100μm。

(B)通过形成的水凝胶的细胞(MSC和乳酸乳球菌)包封效率。每个时间点的细胞计数是在室温下以30分钟间隔顺序获得的8次测量的结果,持续2小时。

(C)具有乳酸乳球菌和MSC的两周龄藻酸盐水凝胶的荧光图像。对于MSC,用乳酸乳球菌的BacLight细菌活力试剂盒和活力/细胞毒性试剂盒染色水凝胶。两种试剂盒均以绿色(SYTO 9和Calcein AM)染色活细胞,用红色(碘化丙啶和Ethidium homodimer-1)染色非活细胞,试剂盒的50:50混合物用于共培养。比例尺:100μm。

(D)乳酸乳球菌,MSC和共培养的生存力图。

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