シアーシンニングゼラチンメタクリロイルバイオインクの押出バイオプリンティング

Extrusion Bioprinting of Shear-Thinning Gelatin Methacryloyl Bioinks.

• Wanjun Liu
• Marcel A Heinrich
• Yixiao Zhou
• Ali Akpek
• Ning Hu
• Xiao Liu
• Xiaofei Guan
• Zhe Zhong
• Xiangyu Jin
• Ali Khademhosseini
• Yu Shrike Zhang

抄録

バイオプリンティングは、3D細胞を搭載した構築物を作製するための新たな技術である。しかし、3次元の複雑な生理的微小環境を生成するための進歩は、特に押出しベースのバイオプリンティングの場合、高い構造忠実度でバイオプリンティングを可能にする先進的な細胞応答性バイオインクの欠如によって妨げられてきた。ここで、本論文では、簡単な冷却プロセスで達成されたGelMA物理ゲル（GPG）のバイオインクを用いて、細胞を含むゼラチンメタクリロイル（GelMA）構造体を直接バイオプリントするための新しい戦略を報告する。このGPGバイオインクは、その剪断薄化特性と自己修復特性に起因して、堆積後も形状を保持して一体的な構造を形成することができ、その後のUV架橋による恒久的な安定化を可能にした。本論文では、従来のバイオインクを用いて作製することが一般的に困難であった様々な3次元構造を、押出モードでバイオプリントすることにより、構造の忠実性を示している。さらに、GPGバイオインクを用いることで、GelMAの濃度を3%まで下げることで、高多孔質でソフトな構造体を直接バイオプリントすることが可能となった。また、このバイオプリントされたコンストラクトは、細胞の生存を可能にするだけでなく、GPGバイオインクの低濃度で細胞増殖や拡散を促進することも実証されている。このようなバイオプリンティング戦略は、組織工学、再生医療、医薬品スクリーニングなどの分野での応用のために、細胞を搭載した3次元構造体の簡便な作製に多くの機会を提供すると考えられています。

Bioprinting is an emerging technique for the fabrication of 3D cell-laden constructs. However, the progress for generating a 3D complex physiological microenvironment has been hampered by a lack of advanced cell-responsive bioinks that enable bioprinting with high structural fidelity, particularly in the case of extrusion-based bioprinting. Herein, this paper reports a novel strategy to directly bioprint cell-laden gelatin methacryloyl (GelMA) constructs using bioinks of GelMA physical gels (GPGs) achieved through a simple cooling process. Attributed to their shear-thinning and self-healing properties, the GPG bioinks can retain the shape and form integral structures after deposition, allowing for subsequent UV crosslinking for permanent stabilization. This paper shows the structural fidelity by bioprinting various 3D structures that are typically challenging to fabricate using conventional bioinks under extrusion modes. Moreover, the use of the GPG bioinks enables direct bioprinting of highly porous and soft constructs at relatively low concentrations (down to 3%) of GelMA. It is also demonstrated that the bioprinted constructs not only permit cell survival but also enhance cell proliferation as well as spreading at lower concentrations of the GPG bioinks. It is believed that such a strategy of bioprinting will provide many opportunities in convenient fabrication of 3D cell-laden constructs for applications in tissue engineering, regenerative medicine, and pharmaceutical screening.

© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.