바이오링크

Bio-ink

바이오 잉크는 3D 프린팅으로 엔지니어링/인공 생조직을 생산하는 데 사용되는 재료다.이 잉크들은 대부분 사용되고 있는 세포들로 구성되어 있지만, 종종 세포들을 감싸는 추가적인 물질들과 함께 사용된다.세포와 보통 생물다중성 겔의 조합은 바이오링크로 정의된다.이들은 다른 특성들 중 rheological, mechanical, bio functional, bio compatibility 등의 특정 특성을 충족해야 한다.바이오 잉크를 사용하면 가공된 구조물에 대한 높은 재현성과 정밀한 제어를 자동화할 수 있다.[1]이러한 잉크는 조직공학 및 재생의학(TERM)을 위한 가장 진보된 도구 중 하나로 간주된다.[2]

기존 3D 프린팅에 자주 활용되는 열가소성 플라스틱처럼 바이오 잉크는 노즐이나 바늘을 필라멘트로 찍어내 증착 후 모양 충실도를 유지할 수 있다.그러나 바이오 잉크는 일반적인 3D 프린팅 처리 조건에 민감하다.

기존의 3D 프린팅 재료와 다른 점

  • 훨씬 낮은 온도(37°C 이하)에서 인쇄
  • 부드러운 교차 링크 조건
  • 자연 유래
  • 생체 활성
  • 세포조작가능

인쇄 가능성

바이오링크 구성과 화학 물질은 종종 기존의 하이드로겔 바이오 물질에서 영감을 받고 파생된다.그러나, 이러한 하이드로겔 바이오 물질은 종종 쉽게 피펫팅되어 웰 플레이트와 다른 금형에 주조되도록 개발되었다.필라멘트 형성을 허용하도록 이러한 하이드로겔의 구성을 변경하는 것은 생물 집적 재료로 변환하기 위해 필요하다.그러나, 바이오링크의 독특한 특성은 재료의 인쇄 가능성을 특징짓는 새로운 도전을 제공한다.[3][4]

전통적인 바이오프린팅 기법은 엔드 구조를 만들기 위해 재료를 층별로 적층하는 것을 포함하지만, 2019년에는 체적 바이오프린팅이라는 새로운 방법이 도입되었다.체적 바이오프린팅은 바이오링크를 액체 셀에 넣고 에너지원에 의해 선택적으로 조사될 때 발생한다.이 방법은 조사 물질을 능동적으로 중합하여 최종 구조를 구성한다.바이오 잉크의 체적 바이오프린팅을 이용한 바이오소재를 제조하면 제조시간을 크게 단축할 수 있다.소재과학에서 이는 개인화된 바이오소재를 신속하게 생산할 수 있는 획기적인 발전이다.이 절차는 바이오프린팅 산업의 어떤 중요한 발전이 실현되기 전에 임상적으로 개발되고 연구되어야 한다.[5]

열가소성 플라스틱과 같은 기존의 3D 프린팅 재료와 달리, 바이오링크는 일단 인쇄되면 본질적으로 '고정'되는 재료와 달리, 수분이 많고 비결정성 구조로 인해 역동적인 시스템이다.필라멘트 증착 후 바이오링크의 형상 충실도 또한 특징지어져야 한다.[6]마지막으로, 인쇄 공정 중 바이오링크와 바이오링크 내의 모든 셀에 가해지는 전단 응력을 최소화하기 위해 인쇄 압력과 노즐 직경을 고려해야 한다.너무 높은 전단력은 세포를 손상시키거나 침전시켜 세포 생존성에 악영향을 줄 수 있다.

인쇄 가능성의 중요한 고려사항:

  • 필라멘트 직경의 균일성
  • 필라멘트의 상호작용에 따른 각도
  • 교차점에서 필라멘트의 "블리드"
  • 인쇄 후 교차 링크 전 형상 충실도 유지
  • 인쇄 압력 및 노즐 직경
  • 인쇄 점도
  • 젤리화 특성

바이오 잉크 분류

구조적인

구조 바이오 잉크는 알긴산염, 감속 ECM, 젤라틴 등과 같은 재료를 사용하여 원하는 인쇄의 틀을 만드는 데 사용된다.재료의 선택으로부터 당신은 기계적 특성, 형태와 크기, 세포의 생존성을 조절할 수 있다.이러한 요소들은 이러한 유형을 바이오 인쇄 설계의 가장 기본적이면서도 가장 중요한 측면 중 하나로 만든다.

희생적인

희생 바이오 잉크는 인쇄 중 지지에 사용하다가 인쇄물에서 제거해 외부 구조물 내에 채널이나 빈 지역을 만드는 재료다.채널과 열린 공간은 세포 이동과 혈관 네트워크를 설계할 때 유용하게 사용할 수 있도록 하기 위해 매우 중요하다.이러한 물질은 용해성, 특정 온도에서의 열화 또는 자연적인 급속 열화와 같이 유지되어야 하는 주변 물질에 따라 특정한 특성이 있어야 한다.비 교차연계 젤라틴과 플루로닉스는 잠재적 희생 물질의 예다.

기능적

기능성 바이오 잉크는 좀 더 복잡한 형태의 잉크로 세포 성장, 발달, 분화를 유도하는 데 사용된다.이는 성장인자, 생물학적 단서, 표면 질감과 모양과 같은 물리적 단서들을 통합하는 형태로 이루어질 수 있다.이러한 물질은 구조 관련 기능뿐만 아니라 기능적 조직을 개발하는 데 있어 가장 큰 요소인 만큼 가장 중요한 물질로 설명될 수 있다.

지원

바이오 프린팅 구조는 인쇄 후 초기에는 복잡한 구조와 돌출부로 인해 매우 연약하고 약할 수 있으며, 이러한 지지 구조는 이 단계에서 벗어날 수 있는 기회를 준다.일단 그 구조물이 스스로 지지하게 되면, 이것들은 제거될 수 있다.다른 상황에서, 이러한 구조물을 인쇄한 후 생물작용제에 구조물을 도입하는 것과 같은 경우, 조직을 더 빠른 속도로 개발하기 위해 사용되는 시스템과의 손쉬운 접점을 허용하기 위해 사용될 수 있다.

다당류

알긴산염

알긴산염은 생체적합성과 낮은 세포독성, 순한 젤리화 과정, 저렴한 비용 등으로 바이오의약품에 널리 사용돼 온 갈색 해조류의 세포벽에서 자연 유래한 바이오폴리머다.알긴산염은 칼슘과 같은 이온의 결합을 통한 가벼운 교차 링크 조건 때문에 특히 바이오프린팅에 적합하다.이 재료들은 점도를 높여 바이오링크로 채택되었다.[7]또한 이러한 알긴산염 기반 바이오링크는 연골과 같은 조직에 적용하기 위해 나노셀룰로오스 같은 다른 물질과 혼합될 수 있다.[8]

빠른 겔화가 우수한 인쇄성으로 이어지기 때문에 바이오프린팅은 주로 알긴산염, 변형알긴산염 또는 다른 바이오소재를 혼합한 알긴산염을 활용한다.알긴산염은 바이오프린팅에 가장 널리 사용되는 천연 중합체가 되었고 체내 연구에서 가장 일반적인 물질일 가능성이 높다.

겔란검

젤란 껌은 박테리아에 의해 생성되는 친수성 및 고분자중량의 음이온성 다당류다.알긴산염과 매우 유사하며 저온에서 하이드로겔을 형성할 수 있다.그것은 심지어 미국 식품의약국(FDA)에 의해 식품에 사용되도록 승인되었다.겔란 껌은 주로 겔링제 및 스태빌라이저로 사용된다.그러나, 그것은 생물 인쇄를 위한 목적으로만 사용되는 경우는 거의 없다.[1]

아가로세

아가로스는 해조류와 붉은 해조류에서 추출한 다당류다.그것은 일반적으로 겔링 특성을 위한 조직 공학뿐만 아니라 전기영동 어플리케이션에서도 사용된다.아가로스의 용해 및 겔링 온도는 화학적으로 변형될 수 있으며, 이는 다시 그 인쇄성을 더 좋게 한다.특정한 필요와 조건에 맞게 수정할 수 있는 바이오링크를 갖는 것이 이상적이다.

단백질 기반 바이오 잉크

젤라틴

젤라틴은 공학적 조직의 생체 재료로 널리 이용되어 왔다.젤라틴 비계의 형성은 저온에서 젤을 형성하는 물질의 물리적 사슬의 얽힘에 의해 결정된다.그러나 생리적 온도에서는 젤라틴의 점도가 현저하게 떨어진다.젤라틴의 메타크릴레이션은 생리적 온도에서 인쇄할 수 있고 모양 충실도를 유지할 수 있는 젤라틴 비계 제작에 대한 일반적인 접근법이다.[9]

콜라겐

콜라겐은 포유류 세포의 세포외 기질의 주요 단백질이다.이 콜라겐은 조직을 매칭하는 물리화학적 특성과 생체적합성을 가지고 있다.여기에 콜라겐은 이미 생물의학 용도에 쓰였다.콜라겐이 사용된 몇몇 연구들은 조작된 피부 조직, 근육 조직 그리고 심지어 뼈 조직이다.[1]

합성 폴리머

플루로닉스

플루로닉스는 독특한 젤레이션 특성 때문에 인쇄에 활용되었다.[10]생리적 온도보다 낮은 점도를 보인다.그러나 생리적 온도에서는 플루로닉스가 젤을 형성한다.그러나 형성된 젤은 물리적 상호작용에 의해 지배된다.화학적으로 교차연결이 가능한 아크릴산 그룹으로 플루론 체인을 개조하여 보다 영구적인 플루론 기반 네트워크를 형성할 수 있다.[11]

PEG

폴리에틸렌 글리콜(PEG)은 산화 에틸렌 중합에 의해 합성된 합성 폴리머다.그것은 순종적이지만 전형적으로 강한 기계적 특성 때문에 유리한 합성 물질이다.[1]PEG의 장점에는 또한 비세포독성과 비면역성도 포함된다.그러나 PEG는 생물학적으로 활동 중인 다른 수족관과 결합할 필요가 있다.

기타 바이오 잉크

감속 ECM

감속된 세포외 매트릭스 기반 바이오링크는 거의 모든 포유류 조직에서 파생될 수 있다.그러나 심장, 근육, 연골, 뼈, 지방과 같은 기관들은 종종 감속되고, 라오필화되며, 분쇄되어, 그 다음 겔로 형성될 수 있는 수용성 기질을 만들어낸다.[12]이러한 바이오링크들은 성숙한 조직에서 파생되기 때문에 다른 물질에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다.이 물질들은 ECM 구조와 조직 원점에 특정한 단백질을 꾸미는 복잡한 혼합으로 구성되어 있다.따라서 dECM에서 파생된 바이오링크들은 세포에 조직 고유의 단서들을 제공하도록 특별히 맞춤화된다.종종 이러한 바이오링크는 리보플라빈 사용과 같은 열 젤링이나 화학적 크로스링크를 통해 교차 연결된다.[13]

참고 항목

참조

  1. ^ Xiaolin, Cui; et al. (30 April 2020). "Advances in Extrusion 3D Bioprinting: A Focus on Multicomponent Hydrogel-Based Bioinks". Advanced Healthcare Materials. 9 (15): e1901648. doi:10.1002/adhm.201901648. PMID 32352649. S2CID 217547329.
  2. ^ Hölzl, Katja; Lin, Shengmao; Tytgat, Liesbeth; Van Vlierberghe, Sandra; Gu, Linxia; Ovsianikov, Aleksandr (September 23, 2016). "Bioink properties before, during and after 3D bioprinting". Biofabrication. 8 (3): 032002. Bibcode:2016BioFa...8c2002H. doi:10.1088/1758-5090/8/3/032002. PMID 27658612.
  3. ^ Gopinathan, J, Roh, I. 최근 3D 프린팅 바이오링크 동향생체 측정기 Res 22, 11 (2018)https://doi.org/10.1186/s40824-018-0122-1
  4. ^ Bernal, Paulina Nuñez; Delrot, Paul; Loterie, Damien; Li, Yang; Malda, Jos; Moser, Christophe; Levato, Riccardo (2019). "Volumetric Bioprinting of Complex Living-Tissue Constructs within Seconds". Advanced Materials. 31 (42): 1904209. doi:10.1002/adma.201904209. ISSN 1521-4095. PMID 31423698.
  5. ^ Ouyang, Liliang (2016). "Effect of bioink properties on printability and cell viability for 3D bioplotting of embryonic stem cells". Biofabrication. 8 (3): 035020. Bibcode:2016BioFa...8c5020O. doi:10.1088/1758-5090/8/3/035020. PMID 27634915.
  6. ^ Jia, Jia (2014). "Engineering alginate as bioink for bioprinting". Acta Biomaterialia. 10 (10): 4323–4331. doi:10.1016/j.actbio.2014.06.034. PMC 4350909. PMID 24998183.
  7. ^ Markstedt, Kajsa (2015). "3D Bioprinting Human Chondrocytes with Nanocellulose–Alginate Bioink for Cartilage Tissue Engineering Applications". Biomacromolecules. 16 (5): 1489–1496. doi:10.1021/acs.biomac.5b00188. PMID 25806996.
  8. ^ Hoch, Eva (2013). "Chemical tailoring of gelatin to adjust its chemical and physical properties for functional bioprinting". Journal of Materials Chemistry B. 1 (41): 5675–5685. doi:10.1039/c3tb20745e. PMID 32261191.
  9. ^ Tirnaksiz, Figen (2005). "Rheological, mucoadhesive and release properties of pluronic F-127 gel and pluronic F-127/polycarbophil mixed gel systems". Die Pharmazie. 60 (7): 518–23. PMID 16076078.
  10. ^ Müller, Michael (2015). "Nanostructured Pluronic hydrogels as bioinks for 3D bioprinting". Biofabrication. 7 (3): 035006. Bibcode:2015BioFa...7c5006M. doi:10.1088/1758-5090/7/3/035006. PMID 26260872.
  11. ^ Pati, Falguni (2014). "Printing three-dimensional tissue analogues with decellularized extracellular matrix bioink". Nature Communications. 5 (5): 3935. Bibcode:2014NatCo...5.3935P. doi:10.1038/ncomms4935. PMC 4059935. PMID 24887553.
  12. ^ Jang, Jinah (2016). "Tailoring mechanical properties of decellularized extracellular matrix bioink by vitamin B2-induced photo-crosslinking". Acta Biomaterialia. 33: 88–95. doi:10.1016/j.actbio.2016.01.013. PMID 26774760.