在生物3D打印中,结合细胞生物学和生物材料学并应用于组织工程和再生医学已颇具规模。层出不穷的新颖打印材料往往具有一定精准的生理特性,使得控制细胞在打印前后的存活、状态、变化规律等成为可能。因此通过这些材料构建三维生物组织,我们可以专注于成熟、未成熟细胞的体内微生理环境(Microphysiological environment),例如健康或病理状态下细胞的生长、分子的清除和相互作用等。
我们需要对生物和非生物成分都有清晰的理解和控制,否则会导致细胞存活率等结果有巨大差别。一个比较基础的方向是研究细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)的影响,从非生物成分(即材料)方面,可以通过以下特性进行调整:
4、电学特性:通过材料刺激或细胞内离子流动影响
图1展示了以诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cell,iPSC)为例的细胞准备过程。该流程系作者基于之前发表的文章中关于cGMP临床级人类胚胎干细胞分化、保存流程稍作调整获得,着重于流程对于不同种类细胞的普适性,并可通过加入多个确认环节降低风险[1]。确认方式可以是简单的宽场显微镜观察,也可以是更为复杂的实验方法,诸如染色体核型异常(Karyotyping chromosome anomaly)、内毒素测试(Endotoxin testing)等。
图1 iPSC细胞系分化、培养及储存的质控流程图
图2 A:机械繁殖流程图。B:(i)用胶原酶增殖的人胚胎干细胞;(ii)McIlwain组织切片机;(iii)改进型斩臂(箭头);(iv)切割后的单个细胞群显微图。C:使用自动剪切(i、ii)和酶传代(iii-iv)传代后的代表性细胞群片段。比例尺100 μm。
基于图1的iPSC准备过程,图3展示了其后续生物3D打印流程。需要注意的是,不论细胞还是生物材料,都需要保证其无菌性,以减少整个过程中的污染风险。
图3 生物组织3D打印的质控流程图
小结
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