Une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à San Diego a réalisé des progrès significatifs dans la résolution de certains des défis les moreover épineux de la bioimpression de tissus d’ingénierie 3D tout en répondant aux exigences clés d’une densité cellulaire élevée, d’une viabilité cellulaire élevée et d’une résolution de fabrication fantastic.
La recherche menée par des nanoingénieurs de la UC San Diego Jacobs College of Engineering a été publiée dans le numéro du 22 février 2023 de Science Innovations.
La bio-impression est basée sur la technologie d’impression 3D, utilisant des cellules et des biopolymères pour créer des buildings et des tissus biologiques. Les tissus d’ingénierie 3D – des tissus de sort humain créés en laboratoire mais fonctionnels, constitués de cellules vivantes et d’échafaudages de biomatériaux – ont un grand potentiel pour les programs biomédicales, y compris les assessments et le développement de médicaments, les greffes d’organes, la médecine régénérative, la médecine personnalisée, la modélisation des maladies et moreover. Leurs utilisations pourraient ajouter une vitesse et une intégrité significatives au processus de développement de médicaments, tout en aidant à atténuer les défis associés à la pénurie de donneurs d’organes et au rejet immunitaire.
L’un des sorts les additionally prometteurs de bio-impression 3D est appelé bio-perception par traitement numérique de la lumière (DLP). Dans cette branche de la bio-impact 3D, les progrès ont été entravés par des road blocks pratiques et tactics. Il s’est avéré difficile d’imprimer des tissus avec des densités cellulaires élevées et des constructions finement résolues.
“Après l’impression, nous cultivons la design pour permettre aux cellules de mûrir ou de se réorganiser en un tissu fonctionnel. Par conséquent, la cellule est comme une graine, et chaque form de cellule a une densité spécifique à laquelle elles sont les plus puissantes pour germer”, a déclaré Shaochen. Chen, le professeur de nano-ingénierie à la tête de l’équipe de recherche.
En utilisant les approches existantes, moreover la présence de cellules dans la bioencre est dense, qui est un polymère biocompatible utilisé dans la bioimpression 3D basée sur DLP, furthermore la lumière se disperse, ce qui entrave la résolution de l’impression.
Les chercheurs ont décuplé cet effet de diffusion de la lumière, leur permettant d’imprimer avec des densités cellulaires élevées et une haute résolution grâce à l’agent de contraste iodixanol, un nouvel ingrédient de la bioencre.
“En utilisant l’iodixanol, nous avons développé une bioencre à indice de réfraction pour la bioimpression basée sur DLP afin d’atténuer la diffusion de la lumière des cellules, en concentrant l’énergie dans le motif lumineux défini par l’utilisateur pour améliorer la fidélité d’impression”, a déclaré Shangting You, un postdoc en nanoingénierie. boursier à l’UC San Diego, membre de l’équipe de Chen et co-leading auteur du doc de recherche.
Pendant près de deux décennies, le laboratoire de Chen a aidé à orienter le développement de procedures d’impression 3D et de bio-effect basées sur DLP, aidant à créer les bases de la biofabrication 3D moderne.
Remark ça fonctionne
La bio-impact 3D basée sur DLP utilise un dispositif de micromiroir numérique (DMD) pour projeter une coupe transversale 2D du modèle 3D sur la bioencre photograph-réticulable. Lorsqu’elle est exposée à la lumière, la bioencre photoréticulable, qui peut être synthétique ou naturelle, se solidifie. Ensuite, une platine motorisée soulève la bioencre de quelques dizaines de microns à 200 microns, ce qui permet à la bioencre non polymérisée de combler le vide. Lorsque la section transversale suivante est projetée sur la bioencre, une nouvelle couche se solidifie et le processus se répète.
Lorsque tout se passe bien, une couche nouvellement formée épouse précisément la forme de la portion projetée. Cependant, avec les méthodes existantes, l’incorporation de cellules dans la bioencre peut provoquer une forte diffusion de la lumière, ce qui brouille la lumière projetée dans la bioencre. En conséquence, les couches nouvellement formées ne peuvent pas reproduire les détails fins des sections transversales projetées.
Le réglage de l’indice de réfraction de la bioencre minimise cet effet de diffusion et améliore considérablement la fabrication. Les recherches du Chen Lab montrent qu’une taille de caractéristique d’environ 50 µm peut être obtenue dans une bioencre de méthacrylate de gélatine à indice de réfraction (GelMA) avec une densité cellulaire aussi élevée que, 1 milliard/mL.
Cette approche introduit quelques nouvelles innovations approaches, y compris un réseau vasculaire organique creux intégré dans un tissu épais chargé de cellules, lui permettant une culture perfusée et à prolonged terme, et une forme de flocon de neige et de rayons pour mettre en valeur la haute résolution pour les deux positifs et les caractéristiques négatives.
Le projet n’a pas été sans défis. “Nous avons développé divers matériaux bioink et plusieurs protocoles pour les manipuler”, a déclaré Yi Xiang, étudiant au doctorat en nano-ingénierie à l’UC San Diego, membre de l’équipe de Chen et co-premier auteur du doc de recherche. “Mais avec le temps d’impression as well as extensive pour un tissu in addition grand, toute incohérence et instabilité dans les cellules et dans le biomatériau ont été amplifiées. Par conséquent, nous avons dû modifier et optimiser à la fois la composition du matériau et les procédures de manipulation.”
Ce projet marque la première utilisation de l’iodixanol comme bio-encre dans la bio-impression DLP, à haute densité cellulaire et avec de longs intervalles d’exposition. “Nous avons effectué une série d’enquêtes biologiques pour évaluer cet influence et développé des procédures article-perception pour dissiper suffisamment l’iodixanol”, a déclaré Xiang.
Avec la résolution d’impression améliorée médiée par l’iodixanol, un tissu pré-vascularisé à haute densité cellulaire avec une taille globale de 17 x 11 x 3,6 mm3 a été fabriqué.
“La culture in vitro d’un tissu aussi épais a été entravée par la diffusion limitée de l’oxygène et des nutriments”, a déclaré Chen. “Nous avons pu imprimer des lumières vasculaires perfusables intégrées dans le tissu avec des diamètres allant de 250 µm à 600 µm, qui a été interfacé avec un système de perfusion pour une lifestyle à long terme. Nous avons démontré que les lumières vasculaires étaient endothélialisées et que le tissu épais restait feasible pour 14 jours de society.”
Prochaines étapes
L’équipe proceed de travailler sur l’optimisation de son système de matériaux et de ses paramètres de bio-effect pour la fabrication de tissus épais fonctionnels et a déposé un brevet provisoire couvrant ce travail.
Les autres prochaines étapes suggérées par Chen incluent le développement de modèles de tissus in vitro à haute densité cellulaire et structurés avec précision pour une récapitulation histologique et fonctionnelle améliorée, en vue d’une perception de grands tissus à haute densité cellulaire pour les greffes et les remplacements de tissus et d’organes chez des sujets humains.
Article : “Haute densité cellulaire et bioimpression 3D haute résolution pour la fabrication de tissus vascularisés” dans Science Advances
Les coauteurs incluent : Shangting You*, Yi Xiang* et Henry H. Hwang, Département de nanoingénierie, Université de Californie à San Diego David B. Berry, Département de chirurgie orthopédique, UC San Diego Wisarut Kiratitanaporn, Département de bio-ingénierie, UC San Diego Jiaao Guan, Département de génie électrique et informatique, UC San Diego Emmie Yao, Min Tang et Zheng Zhong, Département de nanoingénierie, UC San Diego Xinyue Ma, École des sciences biologiques, UC San Diego Daniel Wangpraseurt, Département de nanoingénierie et Scripps Establishment of Oceanography, UC San Diego Yazhi Sunlight, Département de nanoingénierie, UC San Diego Ting-yu Lu, programme de science et d’ingénierie des matériaux, UC San Diego et Shaochen Chen, Département de nano-ingénierie, Département de bio-ingénierie, Département de génie électrique et informatique, et Programme de science et d’ingénierie des matériaux, UC San Diego.