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打印在医学生物学研究中的重要性,科学家们已经开发出新的生物3D打印墨水,并开发了渐进式微流体技术。最近,格拉斯哥大学开发了一种细菌负载微凝胶作为干细胞工程的自主3D环境。该研究开发了一步法微流体系统,将干细胞和基因工程非致病细菌包裹在所谓的3D珍珠花边状海藻酸中。在盐微凝胶中,存在高水平的单分散性和细胞活力。

在该研究中,尽管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。珠光微凝胶的制备在生理pH下发生而没有任何鞘材料,并且通道尺寸和总体设计意味着避免对细胞的剪切应力和促进活力。

制备的凝胶构建体是独特的,因为它们具有如在单个微胶囊中的间隔物单元和在纤维构建体中发现的连接性。此外,间隔开的微电池和连接它们的连接是高度可调的,从而形成高度单分散的珍珠 - 花边互连结构。与制造工艺相关,与互连单元相比,除了抑制的剪切应力之外,珍珠单元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连接的细胞负载水凝胶,其已被用作低成本3D生物打印原型。

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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,指示用于量化组装的珍珠的参数。

(D)螺纹厚度图与相应的流速(Y轴:水流量; X轴:油流量)。

(E)螺纹厚度图。

(六)珍珠区地图。

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-MSCs)和原核细胞(工程化非致病细菌乳酸乳球菌,乳酸乳球菌)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“生产生物”,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。

创建了四个3D打印形状,包括线条,三角形,正方形和圆形,排列如下:

线 - 两个圆盘(180度角)

三角形(内角60度)

方角(内角90度)

八个圆形(135度内角,八角形)

微流体系统使研究人员能够为药物筛选,生物研究和个性化医疗等应用创建“单分散”构建体。

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(包含细胞的藻酸盐构建体的SEM图像,藻酸盐微凝胶的相差图像和基础培养基中的MSC)

(一个);海藻酸钠微凝胶和MSC在成骨培养基中的应用

(B);含有两种乳酸乳球菌

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

(d);含有MSC和乳酸乳球菌的藻酸盐微凝胶的两个菌落离开空间

(E);藻酸盐微凝胶,成骨培养基中的MSCs,覆盖细胞的圆形实体,空腔和细胞膜样结构

(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梯度研究,其中每种细胞类型的群体可以控制其相对密度。它还可用于时间序列指数研究,并提供本研究中展示的低成本,易于制造的3D生物打印原型的平均值。

本研究中的微凝胶已被用作可调平台建模的概念验证,其中水凝胶可以低成本设计和生产,具有高精度时空控制的ECM和生长因子。它一直在尝试进一步设计体外系统的更多方面,为细胞研究铺平道路,并更好地控制可调节动态ECM样环境的相互作用。

随着生物打印继续在全球研究中占据主导地位,科学家们已经开发出新的生物印刷油墨,3D打印微表面,渐进微流体等。

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(微珠的单分散性,包封性和活性)

(A)使用层流条件,使用500μlh-1的流速和外相的流速为5000μlh-1,在两种可混溶的流体流中形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)形成的水凝胶(MSC和乳酸乳球菌)的细胞的包封效率。每个时间点的细胞计数是在室温下以30分钟的间隔获得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,水凝胶用乳酸乳球菌BacLight细菌活力试剂盒和活力/细胞毒性试剂盒染色。两个试剂盒均以绿色(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,以及用于共培养的试剂盒混合物。比例尺:100μm。

(D)乳酸乳球菌,MSC的活力图和共培养物。