プロジェクションベースの3Dバイオプリンティングにおける光硬化と強度調整可能なハイドロゲルバイオインクの印刷性をモデリングした

Modeling the printability of photocuring and strength adjustable hydrogel bioink during projection based 3D bioprinting.

• Yuan Sun
• Kang Yu
• Jing Nie
• Miao Sun
• Jianzhong Fu
• Huiming Wang
• Yong He

抄録

プロジェクションベースの三次元印刷法として、デジタル光処理バイオプリンティング（DLPBP）は、押し出しベースのバイオプリンティングに比べて印刷解像度が高く、組織を模倣したより微細な構造を構築するのに適しています。しかし、DLPBP時の印刷挙動については、まだ十分な理解が得られていない。ここでは、インクの光架橋理論を確立し、一定量の光吸収剤を添加して架橋深さを制御した。そして、さまざまなパラメータを用いて印刷解像度を定量的に評価するための標準化された方法論を確立した。そのメカニズムを理解した上で、耳、手、心臓などの複雑な生体構造を精密に印刷した。さらに、ハイドロゲルの濃度、置換度、光架橋時間を変化させることで、印刷サンプルの機械的特性を正確に調整した。印刷した組織の種類は、肝臓などの超軟組織（6～8KPa）から皮膚などの軟組織（0.3～0.4MPa）までとした。実演として、実際の引張弾性率で細胞を印刷した分岐血管を印刷した。1週間培養した後、ヒト臍帯静脈内皮細胞の増殖と機能を特徴づけた。全体的に、高精度で、要求される物性と機能化された生きた細胞を持つ模倣複合組織の印刷を可能にした。

As a projection based three-dimensional printing method, digital light processing bioprinting (DLPBP) has higher printing resolution and is suitable for constructing finer structures to mimic tissues when compared to extrusion based bioprinting. However, there is a lack of understanding about printing behavior during DLPBP. Herein, a photo crosslinking theory for ink was established and a specified amount of light absorber was added to control crosslinking depth. Then, a standardized methodology was established to quantitatively evaluate printing resolution using different parameters. Complex biostructures, such as the ear, hand, and heart, were precisely printed after understanding the mechanism. Additionally, the mechanical properties of printed samples were accurately adjusted by changing the hydrogel concentration, as well as the degree of substitution and photocrosslinking time. The tissue types printed were from ultra-soft tissues, such as liver (6-8 KPa) to soft tissue, such as the skin (0.3-0.4 MPa). A branching vessel with cells in a real tensile modulus was printed as a demonstration. After 1-week of culture, proliferation and function of human umbilical vein endothelial cells were characterized. Overall, we made it possible to print a mimic complex tissue with high precision, required physical properties and functionalized living cells.

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