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Oct 27, 2023

바이오콘크리트 바이오잉크를 이용한 현장 3D 바이오프린팅

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3597(2022) 이 기사 인용

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현장 바이오프린팅은 특히 응급 상황에서 부상을 입을 수 있는 군인, 운동선수, 운전자와 같은 직업의 경우 결함이 있는 장기에 치료용 바이오잉크를 직접 부착하여 이를 복구하는 데 매력적입니다. 그러나 기존 바이오잉크는 복잡한 작업 환경에서 명백한 한계를 나타냅니다. 여기에서는 전기분무된 세포가 함유된 마이크로젤을 골재로 사용하고 젤라틴 메타크릴로일(GelMA) 전구체 용액을 시멘트로 사용하여 바이오콘크리트 바이오잉크를 설계합니다. 광가교 마이크로겔 집합체의 견고한 유변학적 특성과 GelMA 시멘트의 유동성을 활용하여 넓은 온도 범위에서 우수한 인쇄성을 보장합니다. 복합 구성 요소는 생체 적합성과 다양한 조직 기계적 미세 환경에 동시에 자체 적응됩니다. 조직-하이드로겔 경계면의 강한 결합은 시멘트가 광가교결합될 때 수소 결합과 마찰에 의해 달성됩니다. 이 바이오잉크는 휴대성이 좋아 긴급사고 시 쉽게 대비할 수 있다. 한편, 마이크로겔은 미니 조직으로 배양된 다음 바이오잉크 집합체로 혼합될 수 있으며, 이는 우리의 바이오콘크리트가 일반 바이오잉크보다 빠르게 기능화될 수 있음을 나타냅니다. 두개골 결함 복구 결과는 이 바이오잉크의 우수성과 현장 치료에 필요한 임상 환경에서의 잠재력을 검증합니다.

새로운 장기 결함 치료법으로 Campbell이 처음 제안한 "현장 바이오프린팅"1이 있습니다2. 진료실에서 주목을 받고 있습니다. 간단히 말해서, 치료 바이오잉크는 3D 형태에 따른 경로를 따라 수술용 바이오프린터에 의해 환자의 상처에 직접 증착됩니다3. 현재는 주로 체외 바이오프린팅과 유사한 방법을 활용하며 피부, 연골, 뼈 치료에 적용되었습니다4. 체외 3D 바이오프린팅을 기반으로 한 장기 이식에 비해 현장 증착 기능에 더 많은 이점이 있습니다(보충 참고 1).

그러나 현장 바이오프린팅은 초보적이며 임상 적용이 제한되어 왔습니다. 신뢰할 수 있는 현장 바이오프린터4가 부족하다는 것 외에도, 주요 이유 중 하나는 특별한 요구 사항을 충족하는 적합한 바이오잉크가 적다는 것입니다. 기존 관련 연구에서 적용된 바이오잉크는 체외 바이오프린팅의 것과 대부분 유사합니다. 즉 전구체 용액은 현장 바이오프린팅에 유망한 선택이 아닙니다. (i) 대부분의 현장 바이오프린팅 사례에서는 바이오잉크, 특히 열에 민감한 바이오잉크의 유변학적 특성을 엄격하게 제어할 수 있는 조건이 없습니다. (ii) 체외 바이오프린터의 표면이 깨끗하고 온도 조절이 가능한 수용 지하실과 달리, 현장 바이오프린팅은 특별한 수용 지하실, 즉 일정한 온도(37°C)로 유지되는 환자의 상처와 혈액이 있어 인쇄된 물질이 붕괴될 수 있습니다. 가교 전 구조. (iii) 가교된 바이오잉크는 캡슐화된 세포가 치료 기능을 발휘할 수 있도록 낮은 기계적 계수를 가져야 합니다. (iv) 구조물은 결함과 일치하는 높은 기계적 특성을 가져야 하며 수리 중 손상으로부터 자신을 보호해야 하지만 이는 요구 사항 (iii)에 큰 모순을 초래합니다. 복합 구조를 구축하는 것, 즉 강력한 지지체를 인쇄한 후 부드러운 하이드로겔을 캐스팅하는 것이 효과적인 솔루션이 되었습니다5,6,7,8. 그러나 이러한 복잡한 인쇄 과정은 현장 바이오프린팅에서는 실현될 수 없습니다. (v) 결함이 인쇄된 구조의 경계면에 강한 결합력이 형성되어야 한다. (vi) 현장 바이오잉크는 군인, 운동선수, 운전자 등 응급 상황에서 부상을 입을 수 있는 직업을 위해 휴대 가능하고 쉽게 준비되어야 합니다.

마이크로겔은 세포 치료9, 제어된 약물 방출10, 질병 모델링11 등에서 인기 있는 바이오프린팅 구조가 되었으며 많은 제조 방법이 제안되었습니다. 최근 Burdick et al.의 Nature Reviews에 게재된 마이크로젤에 대한 리뷰에서는 독립적인 기능 단위 외에도 2020년 17호에 따르면, 향후 바이오잉크 성분으로 마이크로겔의 "2차 바이오프린팅"18,19,20,21이 폭넓게 응용될 것으로 예측됐다. Alge et al.의 최신 연구에서. 2021년 Science Advances에 출판된 22에는 인쇄 중 마이크로겔 소산 과정에 대한 심층 조사가 발표되었습니다. 왕 외. 쥐의 장기 결함을 복구하기 위해 9개의 알지네이트 마이크로겔을 주입했습니다. Burdicket al. 23,24는 특정 3D 구조를 확립하기 위해 압출된 마이크로겔을 수집했습니다. 모든 연구는 마이크로겔의 유망한 생체 적합성뿐만 아니라 Bingham 유체25,26,27와 유사한 고유한 유변학적 특성으로부터 이익을 얻었습니다. Bingham 유체는 특정 응력 이하에서는 엘라스토머로 표시되지만 응력이 더 증가하면 뉴턴 유체로 흐릅니다. 따라서 마이크로겔 기반 바이오잉크는 복잡한 요구 사항에 적응할 수 있는 새로운 임상 현장 바이오프린팅 바이오잉크로 추가로 설계될 가능성이 있습니다.