Programmable multimaterial bioprinting of 3D vascularized tissue constructs

3D 血管化组织结构的可编程多材料生物打印

基本信息

  • 批准号:
    9788446
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 21.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-20 至 2021-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary In vitro development of highly organized and vascularized three-dimensional (3D) tissue constructs is of great importance in tissue engineering, since native muscle tissues exhibit highly organized 3D complex architectures composed of an extracellular matrix (ECM), different cell types, and chemical and physical signaling cues. Bioprinting has emerged as a new technology to develop highly complex, 3D structures; however, there are many remaining challenges, such as the necessity for precise positioning/switching of different cell-types and materials to create multi-cellular 3D structures with various sizes, and creating patterns that resemble the physical properties of in vivo environments. To address these challenges, we plan to develop an embedded multi-material bioprinting (EMB) technology that employs a self-healing supporting hydrogel and a programmable microfluidic device. The multi-material bioprinting (MB) system can be developed by integration of a direct-write 3D bioprinting system with a high precision, programmable microfluidic printhead, which can easily and quickly switch between different materials, reagents and cells. The multi-axial extrusion systems are able to create multi-scale microfibers for muscle bundles and perfusable blood vessel networks to mimic the mechanical properties and architecture of their spatially organized natural counterparts. While it is difficult to precisely control the materials’ position in Z directions to create freestanding hydrogel architectures, we will improve the high print fidelity of the MB system by combining an embedded 3D bioprinting technology by using a self-healing supporting hydrogel. In addition, the supporting hydrogel will be able to achieve fast deposition of the desired pre-polymer solution in X-Y-Z directions without additional gelation processing. By combining this embedded printing strategy with the microfluidic device incorporated MB technology, it will allow us to print multi-component/multi-cellular tissue constructs with biologically relevant architectures and characteristics that are difficult or impossible to bioprint at present. Furthermore, the use of a cell-laden bioink, which mimics the mechanical and biological properties of muscle tissue, can act as a platform to promote differentiation and maturation of muscle precursors, as well as improved contractile activity. It is envisioned that the successful development of this project will have a significant impact on the ability to heal muscle trauma as well as to advance the field of muscle tissue engineering. Furthermore, this process can be readily applied to other areas of regenerative medicine to generate new organs.
项目概要 高度组织化和血管化的三维(3D)组织结构的体外开发具有重要意义 在组织工程中很重要,因为天然肌肉组织表现出高度组织的 3D 复合体 由细胞外基质(ECM)、不同细胞类型以及化学和物理组成的结构 生物打印已成为开发高度复杂的 3D 结构的新技术; 然而,仍然存在许多挑战,例如需要精确定位/切换 不同的细胞类型和材料来创建不同尺寸的多细胞 3D 结构,并创建图案 为了应对这些挑战,我们计划开发类似于体内环境的物理特性。 嵌入式多材料生物打印(EMB)技术,采用自愈支撑水凝胶和 可编程微流体装置可以通过以下方式开发: 将直写 3D 生物打印系统与高精度、可编程微流体打印头集成, 可以轻松快速地在不同材料、试剂和细胞之间切换。 系统能够为肌肉束和可灌注血管网络创建多尺度微纤维,以 模仿其空间组织的自然分子的机械特性和结构。 难以精确控制材料在 Z 方向的位置以创建独立式水凝胶结构, 我们将通过结合嵌入式3D生物打印技术来提高MB系统的高打印保真度 通过使用自愈支撑水凝胶此外,支撑水凝胶将能够实现快速。 在 X-Y-Z 方向上沉积所需的预聚物溶液,无需额外的凝胶化处理。 将这种嵌入式打印策略与采用MB技术的微流体装置相结合,它将允许 我们打印具有生物学相关结构的多组分/多细胞组织结构, 目前难以或不可能进行生物打印的特征此外,使用充满细胞的生物墨水, 它模仿肌肉组织的机械和生物特性,可以作为一个平台来促进 肌肉前体的分化和成熟,以及改善的收缩活动。 该项目的成功开发将对肌肉愈合能力产生重大影响 此外,这一过程可以很容易地实现。 应用于再生医学的其他领域以产生新的器官。

项目成果

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