RU2772734C2 - Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях - Google Patents

Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях Download PDF

Info

Publication number
RU2772734C2
RU2772734C2 RU2021121106A RU2021121106A RU2772734C2 RU 2772734 C2 RU2772734 C2 RU 2772734C2 RU 2021121106 A RU2021121106 A RU 2021121106A RU 2021121106 A RU2021121106 A RU 2021121106A RU 2772734 C2 RU2772734 C2 RU 2772734C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tissue
bioink
bioprinting
porosity
high level
Prior art date
Application number
RU2021121106A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2021121106A (ru
RU2021121106A3 (ru
Inventor
Анастас Андреевич Кисель
Евгений Евгеньевич Бекетов
Григорий Александрович Демяшкин
Надежда Валерьевна Аргучинская
Елена Васильевна Исаева
Сергей Анатольевич Иванов
Петр Викторович Шегай
Андрей Дмитриевич Каприн
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России)
Priority to RU2021121106A priority Critical patent/RU2772734C2/ru
Publication of RU2021121106A publication Critical patent/RU2021121106A/ru
Publication of RU2021121106A3 publication Critical patent/RU2021121106A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2772734C2 publication Critical patent/RU2772734C2/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к тканевой инженерии и 3D-биопечати. Способ раскрывает получение биочернил, которые обеспечивают формирование пор в тканеинженерной конструкции. Способ включает приготовление биочернил, которые готовят непосредственно перед процессом 3D-биопечати, с использованием двух компонентов: гидрогеля, несущего культуру клеток, и водорастворимого порошкообразного компонента. Порошкообразный компонент представлен в виде сухих лиофилизированных гранул, их диаметр не превышает диаметр сопла биопринтера. После процесса биопечати тканеинженерную конструкцию заливают питательной средой или же буферным раствором. Способ позволяет получать биочернила с высоким уровнем пористости, которые могут быть использованы для создания тканеинженерных конструкций, где клеточному компоненту требуется высокий уровень доступа питательных веществ и газов, без использования дополнительных поддерживающих гидрогелей при получении. 7 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к тканевой инженерии и 3D-биопечати, может быть использовано для создания тканеинженерных конструкций, где требуется создать пористость для клеточного компонента.
Биопечать - это интенсивно развивающаяся технология, позволяющая формировать тканеинженерные конструкции (скаффолды) с заданной геометрией и структурой. Для изготовления скаффолдов посредством биопринтинга используется особый класс биоматериалов - биочернила. Биочернила представляют собой готовый раствор или гидрогель с клеточным компонентом. [Аргучинская, Н.В. и др. Материалы для создания тканеинженерных конструкций методом 3D-биопечати при восстановлении хрящевой и мягких тканей / Н.В. Аргучинская, Е.Е. Бекетов, Е.В. Исаева, Н.С. Сергеева, П.В. Шегай, С.А. Иванов, А.Д. Каприн // Вестник трансплантологии и искусственных органов. Т.23. №1, 2021. С. 60-74; Matai I, Kaur G, Seyedsalehi A, McClinton A, Laurencin CT. Progress in 3D bioprinting technology for tissue/organ regenerative engineering. Biomaterials. 2020;226: 119536. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119536].
На сегодняшний день одним из основных ограничений при конструировании крупных (более 5×5×5 мм), пригодных для замещения тканей и органов тканеинженерных трансплантатов, считается недостаточный доступ кислорода и питательных веществ внутри готовой конструкции. После имплантации in vivo клетки в искусственной ткани потребляют доступный кислород в течение нескольких часов, однако требуется от нескольких дней до нескольких недель, прежде чем новые кровеносные сосуды достаточно проникнут в имплантаты, чтобы доставить кислород и питательные вещества. В результате трансплантированные клетки часто теряют функцию к пролиферации и погибают после доставки к реципиенту [Kang J.I. et al. Design of advanced polymeric hydrogels for tissue regenerative medicine: oxygen-controllable hydrogel materials / Kang J.I., Lee S., An J.A., Park K.M. // Biomimicked Biomaterials, Advances in Experimental Medicine and Biology 1250, 2020 P. 63-76. https://doi.org/10.1007/978-981-15-3262-7_5]. Создание искусственной пористости в готовых конструкциях является одним из вариантов решения вышестоящей проблемы.
Известен вариант создания пористого носителя путем использования раствора желатина (5%, 300 Bloom) сшивающим раствором 0,5% генипина в диапазоне температур от 10 до 25°С (с шагом 5°С). После процесса лиофильной сушки в готовом объекте образовывались поры размером от 50 до 500 мкм. Размер пор увеличивался с увеличением температуры сшивания. По мере увеличения размера пор увеличивалось общее количество клеток и секреции глюкозааминогликанов, а также повышалась экспрессия коллагена (I, II и X типа) и соответствующих маркеров генов аггрекана (Sio-Mei Lien, Liang-Yu Ko, Ta-Jen Huang. Effect of pore size on ECM secretion and cell growth in gelatin scaffold for articular cartilage tissue engineering. 2009, Acta Biomaterialia, V5(2), P. 670-679, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2008.09.020).
Известен способ изготовления пористого 3D-матрикса, включающий резорбируемый частично-кристаллический полимер с пористостью 60-80% и размером пор от 2 до 100 мкм. В часть пор инкорпорируется биополимерный гель до соотношения 50:50 мас, %. Матрикс получают растиранием смеси геля и порошка, затем заполняют пресс-формы, которые далее помещают в камеру высокого давления. Под давлением углекислого газа 4,0-25,0 МПа и при температуре 25-40°С выдерживают около часа полученный матрикс (RU 2533457 С1).
Недостатком представленных выше способов является неприменимость для биопечати, клеточный компонент добавляется вручную после создания искусственного матрикса. Стоит также отметить большие затраты материалов, возможность реализации объектов зависит от размеров пресс-форм и реакционных камер, что ограничивает внешнюю геометрию.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототип) является способ изготовления бичернил с использованием жидких растворов GelMA (желатин-метакрилола) и раствора PEO (полиэтилен оксида). Во время смешения образуется двухфазная эмульсия, которую далее используют для биофабрикации тканеинженерной конструкции. Возможность использования эмульсии GelMA-PEO в качестве биочернил была продемонстрирована как в методах экструзии, так и в методах digital micromirror device (DMD)- стереолитографии. Для печати объектов был выбран гель с соотношением GelMa(мас, 10%):PEO(мас, 1,6%) - 1:1. В процессе инкубирования PEO вымывался из конструкции, GelMa же, подвергнутый сшиванию под действием УФ сохранял заданную форму (Ying et al. Aqueous Two-Phase Emulsion Bioink-Enabled 3D Bioprinting of Porous Hydrogels. / Ying G, Jiang N, Maharjan S, Yin YX, Chai RR, Cao X, Yang JZ, Miri AK, Hassan S, Zhang YS. // 2018 Adv. Mater.;30(50): e1805460. doi: 10.1002/adma.201805460).
Недостатками приведенного метода является в первую очередь токсичность материалов (GelMA) и длительное сшивание под действием УФ. Стоимость использованных реагентов превышает стоимость материалов естественного происхождения (коллагена и желатина).
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации не выявлено сведений о способе получения биочернил обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях.
Технический результат направлен на получение биочернил, пригодных для биопечати скаффолдов обладающих собственной пористостью.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что также как и в известном способе биочернила готовят непосредственно перед процессом 3D-биопечати и включают в себя два компонента.
Особенностью заявляемого способа является то, что биочернила состоят из основного компонента - гидрогеля, несущего культуру клеток и водорастворимого порошкообразного компонента, причем порошкообразный компонент представлен в виде сухих лиофилизированных гранул, их диаметр не превышает диаметр сопла биопринтера, после процесса биопечати, тканеинженерную конструкцию заливают питательной средой или же буферным раствором.
Изобретение поясняется подробным описанием, примерами использования и иллюстрациями, на которых изображено:
Фиг. 1 - Гистологический срез полученной тканеинженерной конструкции (основной материал коллаген, порошкообразный - желатин (300 Bloom) в форме гранул, концентрация желатина 100 мг/мл.). Изначальный размер конструкции составлял 4×4×4 мм.
Фиг. 2 - Гистологический срез полученной тканеинженерной конструкции (основной материал коллаген, порошкообразный - желатин (300 Bloom) в форме гранул, концентрация желатина 6,25 мг/мл.). Изначальный размер конструкции составлял 4×4×4 мм.
Фиг. 3 - Распределение диаметров пор, полученных в тканеинженерных конструкциях при использовании основного материала коллагена, и порошкообразного - желатина (300 Bloom) в форме гранул, концентрация желатина 100 мг/мл. Медиана - 56,1 мкм.
Фиг. 4 - Распределение диаметров пор, полученных в тканеинженерных конструкциях при использовании основного материала коллагена, и порошкообразного - желатина (300 Bloom) в форме гранул, концентрация желатина 25 мг/мл. Медиана - 61,8 мкм.
Фиг. 5 - Распределение диаметров пор, полученных в тканеинженерных конструкциях при использовании основного материала коллагена, и порошкообразного - желатина (300 Bloom) в форме гранул, концентрация желатина 6,25 мг/мл. Медиана - 61,8 мкм.
Фиг. 6 - Распределение диаметров пор, полученных в тканеинженерных конструкциях при использовании основного материала коллагена, и порошкообразного - желатина (90-110 Bloom) в форме гранул, в концентрации желатина 25 мг/мл. Медиана - 121,0 мкм.
Фиг. 7 - Распределение диаметров пор, полученных в тканеинженерных конструкциях при использовании основного материала коллагена, и порошкообразного - желатина (90-110 Bloom) в форме гранул, в концентрации желатина 6,25 мг/мл. Медиана - 71,4 мкм.
Способ осуществляют следующим образом.
Для создания бочернил применяемых в экструзионной биопечати используют как основной компонент - гидрогель несущий культуру клеток, так и порошкообразный - водорастворимый компонент. Порошкообразный материал представлен в виде сухих лиофилизированных гранул, их диаметр не превышает диаметр сопла биопринтера, например, 128 мкм в случае иглы G21 или 65 мкм - G25. При необходимости клеточных факторов роста, их добавление в биочернила осуществляется на этапе смешивания. Печать производят на лабораторную культуральную посуду (например, чашки Петри, луночные планшеты) или на стекло, находящиеся сверху печатного столика. Для полимеризации гидрогеля в зависимости от его типа, после биопечати используют либо ультрафиолетовое излучение (365 нм), либо повышение температуры (от 25 до 37°C). После процесса биопечати скаффолд заливают питательной средой, например, RPMI-1640, DMEM, F-12 или же буферным раствором, например, PBS, DPBS. Процесс инкубации проводится в термостате при 37°C или в CO2-инкубаторе до вымывания порошкообразного материала. При использовании живых клеток, замену среды требуется производить не реже одного раза в сутки.
Приводим пример создания двухкомпонентных биочернил.
Для приготовления двухкомпонентного геля в качестве основного материала использовался коллаген с концентрацией 80 мг/мл, порошкообразный материал - желатин представлял собой сухие гранулы. Биочернила готовились непосредственно перед проведением процесса биопечати, с помощью стерильных пластиковых шприцов объемом 1 мл и соединяющей пластиковой насадки (система «Luer-Lock»). Компоненты размешивались с помощью интенсивного надавливания на поршни в течение 20 с. Готовый объем биочернил составил 300 мкл. Начальная концентрация желатина в готовых биочернилах составила 100 мг/мл, далее проводилась серия разбавлений, с каждой серией концентрация уменьшалась в два раза. В процессе биопечати температура печатной поверхности и экструзионной насадки биопринтера составляла 4°С. Объекты 4×4×4 мм печатались на чашки Петри (d = 6 см), диаметр печатной иглы составлял 514 мкм (G21). После процесса биофабрикации, чашки заполняли питательной средой RPMI-1640, далее их помещали в CO2-инкубатор, при 5% CO2 и T=37°С. Поры в готовой тканеинженерной конструкции образовывались за счет вымывания порошкообразного компонента из геля в процессе инкубации.
Приводим анализ полученной искусственной пористости в тканеинженерной конструкции.
На 3 сутки культивирования полученные образцы фиксировались в парафине, далее производилась процедура создания срезов толщиной 5 мкм (Фиг. 1, Фиг. 2) Изображения срезов получены с помощью USB-камеры (UCMOS 14000KPA ToupCam, КНР) подключенной к микроскопу (Микромед 3 ЛЮМ LED, Россия).
Процент пористости в слое рассчитывался с помощью программного обеспечения ImageJ 1.8.0. В ПО ImageJ происходил подсчет площади пор на изображениях и общий объем конструкции. Далее рассчитывался диаметр полученных пор, построение графиков распределения осуществлялось в ПО R i386 3.5.3 (Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7). Вариант оценки пористости с использованием готовых гистологических срезов представлен в Табл. 1.
Таблица 1
Процент пористости в готовых конструкциях
Основной материал Порошкообразный материал Bloom Форма Концентрация желатина в биочернилах, мг/мл
100 25 6,25
Коллаген(8%) Желатин 300 гранулы 15,974%±1,446% 10,618%±0,910% 7,242%±0,595%
Коллаген(8%) Желатин 90-110 гранулы -- 6,101%±0,990% 2,901%±0,391%
Предложенный способ позволяет получать биочернила, которые могут быть использованы для создания тканеинженерных конструкций, где клеточному компоненту требуется высокий уровень доступа питательных веществ и газов.

Claims (1)

  1. Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях, включающий приготовление биочернил, которые готовят непосредственно перед процессом 3D-биопечати, и которые включают в себя два компонента, отличающийся тем, что биочернила состоят из основного компонента – гидрогеля, несущего культуру клеток, и водорастворимого порошкообразного компонента, причем порошкообразный компонент представлен в виде сухих лиофилизированных гранул, их диаметр не превышает диаметр сопла биопринтера, после процесса биопечати тканеинженерную конструкцию заливают питательной средой или же буферным раствором.
RU2021121106A 2021-07-16 Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях RU2772734C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121106A RU2772734C2 (ru) 2021-07-16 Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021121106A RU2772734C2 (ru) 2021-07-16 Способ получения биочернил, обеспечивающих высокий уровень пористости в тканеинженерных конструкциях

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2021121106A RU2021121106A (ru) 2021-09-23
RU2021121106A3 RU2021121106A3 (ru) 2022-02-28
RU2772734C2 true RU2772734C2 (ru) 2022-05-25

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533457C1 (ru) * 2013-04-19 2014-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр трансплантации и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Биоактивный резорбируемый пористых 3d-матрикс для регенеративной медицины и способ его получения

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533457C1 (ru) * 2013-04-19 2014-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр трансплантации и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации Биоактивный резорбируемый пористых 3d-матрикс для регенеративной медицины и способ его получения

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OSIDAK EGOR OLEGOVICH et al., Int J Bioprint., 2020, 6(3), 270, doi: 10.18063/ijb.v6i3.270. XU JIE, et al., Advances in the Research of Bioinks Based on Natural Collagen, Polysaccharide and Their Derivatives for Skin 3D Bioprinting, Polymers (Basel), 2020 Jun; 12(6), doi: 10.3390/polym12061237. АРГУЧИНСКАЯ Н.В. и др., Материалы для создания тканеинженерных конструкций методом 3D-биопечати при восстановлении хрящевой и мягких тканей, Вестник трансплантологии и искусственных органов,Т. 23., No. 1, 2021, c. 60-74. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Porcine skeletal muscle tissue fabrication for cultured meat production using three-dimensional bioprinting technology
Yang et al. Bioinspired poly (γ-glutamic acid) hydrogels for enhanced chondrogenesis of bone marrow-derived mesenchymal stem cells
CN113679888A (zh) 光固化成型复合水凝胶基质前驱体及其制备方法和带有其的支架
Shen et al. Tough biodegradable chitosan–gelatin hydrogels via in situ precipitation for potential cartilage tissue engineering
ES2408554T3 (es) Método para preparar armazón poroso para ingeniería de tejidos, cultivo celular y suministro de células
EP2234655B1 (en) Forming porous scaffold from cellulose derivatives
Zeng et al. Bacterial nanocellulose-reinforced gelatin methacryloyl hydrogel enhances biomechanical property and glycosaminoglycan content of 3D-bioprinted cartilage
US20200324021A1 (en) 3D Printed Scaffold Structures and Methods of Fabrication
Burg et al. Minimally invasive tissue engineering composites and cell printing
Bandyopadhyay et al. Easy and affordable method for rapid prototyping of tissue models in vitro using three-dimensional bioprinting
Hu et al. 3D printing GelMA/PVA interpenetrating polymer networks scaffolds mediated with CuO nanoparticles for angiogenesis
Ng et al. Hydrogels for 3-D bioprinting-based tissue engineering
JP6758616B2 (ja) 細胞培養方法及び培養組織
Lin et al. A novel γ-PGA composite gellan membrane containing glycerol for guided bone regeneration
CN110408058A (zh) 一种促进骨缺损修复的埃洛石复合水凝胶及其制备方法和应用
CN114588312A (zh) 功能化纤维大分子交联体键合3d打印弹性植入体及其制备方法与应用
CN104548196B (zh) 一种基于乙烯基‑巯基交联的组织工程支架材料及其制备方法
US8431623B2 (en) Process for forming a porous PVA scaffold using a pore-forming agent
CN117414471A (zh) 一种复合光固化生物墨水及其制备方法与应用
Kong et al. Enhancing auricular reconstruction: A biomimetic scaffold with 3D-printed multiscale porous structure utilizing chondrogenic activity ink
US6872387B1 (en) Three-dimensional hydrogel/cell system
KR102520786B1 (ko) 3차원 구조체 내부 관류 가능 미세 혈관 생성을 위한 바이오리액팅 시스템
Lu et al. Growth of fibroblast and vascular smooth muscle cells in fibroin/collagen scaffold
CN120037445A (zh) 一种用于感染骨缺损替代的3D打印PCL/nHA联合仿生糖肽水凝胶支架及其制备方法
CN115337450B (zh) 具有多孔化纤维的3d打印弹性支架及其制备方法与应用