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模擬天然心肌的心臟微組織的直接3D生物打印

 更新時間:2022-10-25 點擊量:954

抽象

心臟具有復(fù)雜的三維(3D)層流肌纖維組織;然而,由于工程生理相關(guān)的3D組織仍然是一個技術(shù)挑戰(zhàn),心肌細胞比對激發(fā) - 收縮耦合,縮短和力發(fā)展的影響尚未得到系統(tǒng)研究。3D中的細胞形狀和方向可以通過工程支架微觀結(jié)構(gòu)和封裝這些幾何線索附近的細胞來控制。在這里,我們展示了一種通過微尺度連續(xù)光學打?。é藽OP)圖案化在3D甲基丙烯酸明膠(GelMA)支架中的細胞包封的新方法可以快速在可光交聯(lián)的水凝膠中快速顯微模式新生小鼠心室心肌細胞(NMVCMs)。封裝的心肌細胞優(yōu)先與工程微結(jié)構(gòu)對齊,并且可以顯示體內(nèi)心肌的形態(tài)和肌原纖維取向表型。利用μCOP系統(tǒng),直接印刷一個不對稱的,多材料的,基于懸臂的腳手架,使微組織產(chǎn)生的力被傳遞到單個可變形的柱子上。與對齊的 2D 種子樣品相比,對齊的 3D 封裝 NMVCM 支架產(chǎn)生的力幾乎是其 2 倍。為了進一步突出μCOP的靈活性,NMVCMs被封裝在幾種模式中,以比較不同程度的對齊對組織位移和同步性的影響。良好對齊的肌纖維培養(yǎng)模式產(chǎn)生的收縮力是各向異性模式較少的結(jié)構(gòu)的4-10倍。最后,NMVCM包封結(jié)構(gòu)的歸一化氟-4熒光顯示出特征性的鈣瞬態(tài)波形,在用100 nM異丙腎上腺素治療期間,鈣瞬態(tài)波形的幅度和下降速度增加。這種新型的儀器化3D心臟微組織作為生理相關(guān)的體外模型系統(tǒng),在心臟病建模和藥物篩選中具有巨大的應(yīng)用潛力。

材料和方法

機械測試

利用μCOP系統(tǒng)聚合直徑1 mm×2 mm高的各向同性圓柱體,并在37°C下膨脹1,10和31天。使用細cellscale的Microtester進行壓縮測試。將樣品在37°C的DPBS浴中孵育。 實驗參數(shù)包括1分鐘內(nèi)施加的100 μN的力速率。使用光束方程 [27] 計算力:



3×

其中D是位移,F是力,L是梁的長度,E是模量。圓柱體由以下機構(gòu)給出:




其中 r 是光束的半徑。

在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性區(qū)域內(nèi),在 5–15% 的凝膠、2% 的 HAGM/2% PEGDA 的條件下測定壓縮模量。

力測量

為了確定3D打印的微組織產(chǎn)生的力,使用Mcrotester吸管測量了三個級別的打?。?5%GelMA獨立式支柱,沒有細胞的三組分支架(無細胞),以及帶有封裝NMVCMs的三組分支架。將獨立式和非細胞支架在37°C 5%CO下孵育2在 DPBS 中,使用 1% 抗生素 1% 抗真菌藥物。在第1天,第10天和第30天測量樣品,并將其放在側(cè)面并在室溫下浸沒在DPBS浴中。使用鎢絲束壓制樣品,測量從底座施加的力點。將樣品置換20μm,并使用等式1和2測量的力來計算樣品模量[27]:


(3)


其中ω是位移,F是力,γ是幾何模量,I是2斷續(xù)器慣性矩(長方體),L是高度,x是施加力的高度。


(4)

其中 h = 長度,b = 寬度。

最后,將NMVCM封裝的樣品浸沒在37°C的無鈣和40 mM 2,3丁二酮單肟(BDM)的Tyrode溶液浴中,以充分松弛3D打印的微組織。使用鎢絲束壓制樣品,測量從底座施加的力點。為了確定支架內(nèi)細胞的影響,將樣品置換20μm并測量如前所述的力。使用方程式3和4,使用松弛的細胞支架的模量,根據(jù)視頻的測量位移計算對齊組織的力。

本次測量的步驟為:     

直徑1 mm,高2 mm的各向同性圓柱,在37℃下膨脹1、10和31天。
壓縮測試,37℃ DPBS,1 min內(nèi)施加到100 μN:
D = F×L3 / 3×E×I,D是位移,F(xiàn)是力,L是梁的長度,E是模量;
I = πr4 / 4,r是梁的半徑
通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性區(qū)域,確定5-15%GelMA和2%HAGM/2%PEGDA壓縮模量

MicroTester細胞微壓縮

MT G2

  • 壓縮、拉伸、彎曲、壓痕和剪切測試的測試模式

  • 0.1μm分辨率的高精度壓電執(zhí)行器

  • 可選雙軸成像

  • 解像力降至10nN

  • 高分辨率的CCD成像

  • 集成溫控介質(zhì)浴

  • 功能齊全的用戶界面軟件,可進行實時反饋的簡單、循環(huán)、松弛和多模式測試

MicroTester細胞微壓縮

MT LT

  • 壓縮、拉伸、彎曲和壓痕測試的測試模式

  • 適合測各種不同的應(yīng)用,并且價格公道

  • 1μm分辨率的高精度壓步進馬達

  • 解像力降至10nN

  • 高分辨率的CCD成像

  • 集成溫控介質(zhì)浴

  • 功能齊全的用戶界面軟件,可進行實時反饋的簡單、循環(huán)、松弛和多模式測試

MicroSquisher 圖像



試樣和安裝

平行板壓縮
樣品:300μm水凝膠微球(30KPa)
峰力:20mN
懸臂彎
試樣:20μm厚、4mm寬箔帶(70MPa)
峰力:3mN
平行板壓縮
標本:直徑2毫米的水凝膠圓柱體(12KPa)
峰力:20mN
球形壓痕
樣品:1.5mm直徑壓頭壓入水凝膠(2KPa)
峰力: 12mN
彎曲引起的拉伸
標本:蜘蛛絲
峰力:2mN
穿刺附著拉伸
樣品:3.5mm寬,1.5mm厚的水凝膠(0.5KPa)
峰力:1.4mN

技術(shù)信息


MTG2MTLT
外形尺寸56 X 14 X 24cm52 X 17 X 21cm
重量9kg6.5kg
力度大小500mN500mN
可用的力傳感器0.005, 0.02, 0.08, 0.2, 1, 5, 25, 100, 500mN0.005, 0.02, 0.08, 0.2, 1, 5, 25, 100, 500mN
力的準確性約換能器容量的0.2%約換能器容量的0.2%
最大夾點分離約10mm約10mm
最大速度5mm/s5mm/s
最大循環(huán)頻率0.1Hz0.1Hz
最大數(shù)據(jù)頻率5Hz5Hz
Actuator TechnologyPiezo-electric MotorStepper Motor
Actuator Resolution0.1um1um
Range of Field of View0.4-11.0mm0.8-5.5mm
Vertical Image Resolution2048px1536px
Secondary Camera OptionYesNo
Secondary Test Axis Option (Shear)YesNo