超声波使生物打印组织中的活细胞对齐
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北卡罗莱纳州立大学的研究人员已经开发出一种技术，通过在生物制造过程中使用超声对齐活细胞来改善工程组织的特性。
“我们已经达到了可以通过打印活细胞来制造医疗产品的地步，比如膝关节植入物，”一篇关于这项工作的论文的通讯作者、北卡罗来纳州爱德华P.菲茨工业与系统工程系副教授Rohan Shirwaiker说。“但其中一个挑战是如何组织打印出来的细胞，使工程组织更接近于自然组织。
“我们现在已经开发了一种叫做超声波辅助生物制造(UAB)的技术，它可以让我们在生物打印过程中在三维矩阵中排列细胞。例如，这使我们能够创造一个与病人最初的半月板更相似的膝关节半月板。到目前为止，我们已经能够对一系列工程肌肉骨骼组织的细胞进行排列。”
为了排列细胞，研究人员建造了一个超声波室，超声波可以穿过生物打印机打印活细胞的区域。这些超声波沿一个方向传播，然后反射回它们的源，形成“驻波”。声波有效地将细胞排成一行，这一行与超声波和反射波交叉的区域一致。
“我们可以通过控制超声参数，如频率和振幅，来控制细胞的排列特征，”Shirwaiker说。
为了证明UAB技术的可行性，研究人员创造了一个膝关节半月板，细胞排列在半月板上，就像它们在自然半月板上一样。
Shirwaiker说:“在整个组织中，我们能够一层一层地控制打印细胞的排列。”“我们还展示了以对韧带和肌腱等其他整形软组织特别重要的方式排列细胞的能力。”
研究人员还发现，超声波参数的一些组合会导致细胞死亡。
“这很重要，因为它让我们清楚地了解我们可以做什么来改善组织性能和为了保存活细胞，我们需要避免什么，”Shirwaiker说。
为此，研究人员创建了计算模型，允许用户在开始生物制造过程之前预测任何给定参数的性能。
UAB技术的另一个好处是它相对便宜。
Shirwaiker说:“安装超声波设备需要一次性的成本——它可以使用现成的技术。”“在那之后，超声波组件的手术成本就可以忽略不计了。UAB技术可以与大多数现有的生物打印技术结合使用。
Shirwaiker说:“我们正在申请UAB技术的专利，现在正在寻找行业合作伙伴来帮助我们探索商业化。”
纸”,超声辅助生物制造和优先排列的三维细胞结构的生物打印，发表在杂志上生物制造．该论文的第一作者是北卡州立大学的博士生兼教务长Parth Chansoria。该论文由北卡罗来纳州立大学的博士生Lokesh Karthik Narayanan和Karl Schuchard共同撰写。
这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)教师早期职业发展计划(Faculty Early Career Development Program)的支持，资助号为1652489。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
超声辅助生物制造和优先排列的三维细胞结构的生物打印
作者: Parth Chansoria, Lokesh Karthik Narayanan, Karl Schuchard and Rohan Shirwaiker，北卡州立大学
发表: 4月3日,生物制造
DOI: 10.1088 / 1758 - 5090 / ab15cf
文摘:组织工程中一个重要的考虑是总结对其功能至关重要的天然组织的微观结构组织。基于支架的技术专注于通过接触引导原则来实现这一点，其中支架纤维提供的地形线索直接迁移和细胞定向，以控制随后的细胞分泌的细胞外基质组织。另外，基于声电泳、电泳、光电泳、磁电泳和趋化原理的方法正在生物制造领域进行研究，以指导生物墨水结构中的细胞模式。这项工作描述了一种新的声学三维(3D)生物制造方法，利用叠加超声波体声波(BAW)产生的辐射力，在单层和多层水凝胶结构中优先组织细胞阵列。利用多物理建模和实验设计，我们表征了工艺参数，包括超声频率(0.71,1,1.5,2 MHz)，信号电压幅值(100,200 mVpp)，生物墨水粘度(5,70 cP)和驱动时间(10,20 min)对对准特性的影响。人脂肪来源干细胞(hASC)悬浮在海藻酸盐中的活性和代谢活性。结果表明，细胞阵列间距随频率的增加而减小(p < 0.001)，阵列宽度随频率和振幅的增加而减小(p < 0.05)，并随生物墨水黏度的降低(p < 0.01)或驱动时间的延长而减小(p < 0.01)。计算结果表明，估算的声辐射力与振幅呈线性关系，与频率呈非线性关系，中频与高振幅的相互作用导致粘性扰动，最终影响hASC的生存能力(p < 0.01)。不同频率和波幅组合的hASC代谢活性在4 d内无变化，但低频-高幅处理在第4天的活性低于高频-低幅处理(p < 0.01)。除了这一过程结构特征，我们还演示了3D生物打印多层内侧膝关节半月板结构，该结构具有与生理相关的可行hASC环周组织。 This work contributes to the advancement of scalable biomimetic tissue manufacturing science and technology.
