כדי לחקור כוחות ביומכניים במערכות רב-תאיות, גירוי מכני יעיל הוא כלי חיוני. מכשיר מיקרו-מבנה תלת מימדי פותח באמצעות הדפסת תלת מימד מבוססת שני פוטונים (2PP) לחיקוי הסביבה הרב-תאית האנושית. תוך שימוש בביושרפים IP-PDMS ו-BIO INX של Nanoscribe, המכשיר מאפשר תרביות תאים אורגנוטיפיות תלת-ממדיות בנאמנות גבוהה. עטיפה של סוגי תאים מרובים וגירוי מכני מדויק באמצעות שלוחה מעוררים תגובות תאיות ספציפיות ושינויים מורפולוגיים במכשיר. גישה חדשנית זו מאפשרת מחקרים מפורטים של גירויים מכניים במערכות רב-תאיות. יש לו יישומים פוטנציאליים שונים בתרביות אורגנואידיות מבוססות תאי גזע, כדוריות תאי סרטן ומחקרי כוח מכניים במפרקי ברכיים כדי להבין דלקת מפרקים ניוונית ודלקת מפרקים שגרונית. הרבגוניות של המכשיר מדגישה את הפוטנציאל המשמעותי שלו במחקר ביו-רפואי.
קרדיט תמונה: Nanoscribe
פעילויות סלולריות כמו התפתחות, מורפוגנזה ומטבוליזם מושפעות באופן משמעותי מכוחות מכניים. בעוד מחקר קודם בחן תגובות סלולריות לגירויים מכניים בסביבות דו-ממדיות, שכפול התנאים המורכבים הללו בסביבה מבוקרת ותלת-ממדית היה מאתגר. חוקרים מאוניברסיטת היידלברג, חלק מ-Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order (3DMM2O) התמודדו עם בעיה זו באמצעות טכנולוגיית 3D Microfabrication של Nanoscribe ליצירת מיקרו-מבנים תלת-ממדיים ברזולוציה גבוהה ורב-תכליתית. הם פיתחו מכשיר עם שכבה חיצונית של IP-PDMS וחלק פנימי העשוי מביו-שרף HYDROBIO INX N400 מעורבב עם תאים חיים, המאפשר גירוי מכני מדויק וחקר מערכות רב-תאיות תחת כוחות מכניים מוגדרים.
פיתוח מכשירי מיקרו תלת מימדיים למחקרים ביו-מכניים
החוקרים ממעבדת Selhuber-Unkel תכננו את המכשיר באמצעות תוכנת CAD ומיטובו אותו עם ניתוח אלמנטים סופיים כדי לחזות מתח תחת גירוי מכני. החלק החיצוני של המכשיר הודפס באמצעות IP-PDMS והחלק הפנימי באמצעות Hydrobio INX N400, המותאם להדפסה עם תאים חיים. החוקרים אימתו את איכות ההדפסה באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM), מיקרוסקופיה של שדה בהיר ופלורסצנטי, מה שמבטיח נפיחות והתכווצות מינימליים. המכשירים הסופיים היו מסוגלים לתמוך במערכות רב-תאיות ולאפשר גירוי מכני מדויק באמצעות שלוחה.
אפשרויות מעולות להדפסה תלת מימדית
הדפסה מרובת חומרים שימשה ליצירת מכשיר בעל מבנה מיקרו תלת מימדי המחקה סביבות מכניות מורכבות in vivo. ה-IP-PDMS של Nanoscribe נבחר בשל הגמישות והגמישות שלו, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור פיגומי תאים והנדסת רקמות. כשרף הרך ביותר ש-Nanoscribe מציע, עם מודול יאנג של 15.3 MPa, איפשר IP-PDMS מבנים עמידים וגמישים. HYDROBIO INX N400, הידרוג'ל טבעי על בסיס ג'לטין נבחר בשל תאימותו להדפסת תאים חיים. סינוביוציטים דמויי פיברובלסט אנושיים (HFLS), כמודל לחקר מחלות מפרקים דלקתיות, ותאי אנדותל ורידי טבור אנושיים (HUVEC), שנבחרו בשל מיקומם בבטנות המפרק, הוכנסו ל-N400 כדי ליצור סביבה רב-תאית מציאותית.
חקירת שינויים מורפולוגיים בתאים מגורים
מכשיר המיקרו-מבנה התלת מימדי המודפס עבר מספר בדיקות קפדניות כדי לאמת את הפונקציונליות והיעילות שלו. לצורך הבדיקה המכנית, נעשה שימוש ב-nanoindenter המצויד בקנטיליבר בעל קשיחות ידועה כדי להפעיל כוחות מבוקרים על המכשיר, תוך מיקוד ספציפי לגשר IP-PDMS כדי לגרום לתזוזה מדויקת בתוך גליל ההידרוג'ל המכיל את התאים. הכוחות שהופעלו נעו בין 200 מיקרון בתדרים של 0.5 הרץ עד 1 הרץ. בתדר 1 הרץ, התדר הגבוה יותר הביא לפחות תזוזה עקב תכונות השרף המבוססות על הידרוג'ל, מה שהוביל לפחות שינויים מורפולוגיים בתאים. כשהם נתונים לגירוי מכני ב-0.5 הרץ למשך 30 דקות, התאים הראו שינויים מורפולוגיים משמעותיים ועיצוב מחדש של אקטין, כאשר סיבי אקטין הראו ארגון מחדש ויישור בתגובה למתיחה המכנית המחזורית. כהוכחה לרעיון, אורגנואידים ברשתית Medaka הוכנסו בתוך המכשיר כדי להדגים שניתן לעורר ביעילות גם אורגנואידים שנוצרו מראש באמצעות שיטה זו
צוות פרויקט
- המכון להנדסת מערכות מולקולריות וחומרים מתקדמים (IMSEAM) – אוניברסיטת היידלברג
- המרכז לחקר אורגניזמים – אוניברסיטת היידלברג
- אשכול מצוינות – חומר תלת מימדי לפי הזמנה (3DMM2O)
קרא את הפרסום כאן
- הדפסת לייזר דו-פוטונים לגירוי מכני של מערכות רב-תאיות בתלת-ממד
גלה את הביוגרפיה של Quantum X
- מדפסת ביולוגית תלת מימדית בעלת ביצועים גבוהים עם דיוק ננו
שיפור היעילות והאיכות בהדפסה ביולוגית תלת מימדית
מדעני 3DMM2O השיגו תוצאות מרשימות למרות התפרים הדרושים להדפסת המכשיר שלהם עם Nanoscribe Photonic Professional GT2. אפשרות לבטל תפרים ולהשיג יתרונות נוספים תהיה שימוש במדפסת ביולוגית תלת מימדית בעלת דיוק גבוה ביותר, ה-Quantum X bio של Nanoscribe. מדפסת זו מציעה שדה הדפסה גדול יותר, המאפשרת הדפסות ללא תפירה של התקן המיקרו-מבנה התלת-ממדי שהודפס לעבודה זו. פונקציית היישור המתקדמת של Quantum X bio תקל על תהליך ההדפסה המשני עם HYDROBIO INX N400, ותפחית שגיאות פוטנציאליות על ידי הבטחת סופרפוזיציה מדויקת. יתר על כן, ה-Quantum X bio מספק סביבות טמפרטורה ולחות מבוקרות, זרימת אוויר מסוננת HEPA וחיבורים אופציונליים לאוויר/CO מעורבב מראש2מה שמוביל לתוצאות אמינות ואיכותיות יותר. כמדפסת המתאימה להדפסת תאים חיים, ה-Quantum X bio תומך במגוון רחב של יישומי הדפסה ביולוגית, המתאים להגדרות מגוונות כגון צלחות תרבית תאים סטריליות, שקופיות מיקרוסקופ ושבבים מיקרופלואידיים.
החוקרים מסכמים שניתן להתאים בקלות את המכשיר המודפס במיקרו-ממד שלהם כדי לחקור סוגי תאים שונים, כגון תאי לב, ולשנות את הצורה והעובי של המכשיר המודפס, המצע שעליו הוא מודפס או השרפים שבהם נעשה שימוש, כולל מוליכים. הפתיחות של Bio Quantum X לחומרים שונים תתמוך עוד יותר באפשרויות ההתאמה האישיות הללו, ויאפשר לחוקרים להתאים את הניסויים שלהם בצורה מדויקת יותר. יכולת זו יכולה לשפר את תנאי הניסוי ולספק הזדמנויות מחקר מגוונות יותר, שעלולות להוביל להתקדמות משמעותית בתחומם.
קרדיט וידאו: Nanoscribe
