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Publicação
BIOPRINTING OF ENZYMATICALLY CROSSLINKED HYALURONIC ACID – GELATIN HYDROGELS
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Resumo(s)
Three-dimensional printing of biological materials is enabling the development of emerging applications of tissue engineering constructs for regenerative and personalized medicine, and engineered tissue models of disease and diagnosis. Hydrogel-based bioinks for extrusion bioprinting are widely applied; however, the development of a new bioink faces the challenge of complying with all printability requirements, as well as having suitable physicochemical properties to provide cells with a biocompatible microenvironment during and after the printing process. Low shear flow and high shape retention are two key properties for dispensing bioinks. This study introduces the synthesis and characterization of tyra-mine-grafted hyaluronic acid (HA) and gelatin (Gel) bioinks, with a horseradish peroxidase/hydrogen peroxide enzymatic crosslinking system to trigger in-demand layer-by-layer gelation over an extruded pattern with an additional drop deposition printhead. HA-based inks (1-4% solutions) and their mixtures with Gel (HA-Gel proportion 80/20 v/v) showed a shear-thinning behavior to be extruded properly. Higher concentrations of polymer yielded an improved construct quality. HA-Gel bioinks were printed together with hepatocarcinoma (HepG2) cells using two sizes of nozzle gauge (20G and 22G). Cell viability was not impacted by the different nozzle size applied, whereas polymer concentration showed a significant effect. In this regard, HA-Gel 4% had a ± 90% post-printing viability, and HA-Gel 5% was reduced by half to ± 45%. Moreover, the assessment of the miscibility of the two bioinks (HA-based and HA-Gel 80/20) provided us with an insight into how much gap shall be considered between contiguous structures to be independent while in contact with each other. For HA-Gel mixtures, a gap of at least 3-4 times the filament width needs to be considered during the design. These bioinks have shown the capability to be extruded, as good quality 3D cell-laden constructs with a biocompatible printing and gelation system, and have the potential to be applied for more complex co-culture models.
A impressão tridimensional de materiais biológicos está a facilitar o desenvolvimento de aplicações emergentes de engenharia de tecidos como de modelos tisulares de doenças e diagnóstico. As biotintas à base de hidrogel para bioimpressão por extrusão são amplamente aplicadas; no entanto, o desenvolvimento de uma nova biotinta enfrenta o desafio de cumprir todos os requisitos de printabilidade, para além de ter propriedades físico-químicas adequadas para proporcionar às células um microambiente biocompatível durante e após o processo de impressão. Este trabalho apresenta a síntese e a caraterização de biotintas de ácido hialurónico (HA) e gelatina (Gel) com enxerto de tiramina, com um sistema de reticulação enzimática com a enzima HRP (horseradish peroxidase) e peróxido de hidrogénio (H2O2) para desencadear a gelificação layer-by-layer e em demanda sobre um padrão extrudido com um sistema adicional de deposição de gotas. As tintas à base de HA (soluções 1-4%) e as suas misturas com gelatina (HA/Gel 80:20 v/v) apresentaram um comportamento de viscosidade adequado para serem extrudidas. Concentrações mais elevadas de polímero produziram uma melhor qualidade de construção. As biotintas HA-Gel foram impressas juntamente com células de hepatocarcinoma (HepG2) utilizando dois tamanhos de calibre de injetor (20G e 22G). A viabilidade celular não foi afetada pelos diferentes tamanhos de injetor aplicados, enquanto a concentração de polímero mostrou um efeito significativo, onde o HA-Gel 4% teve uma viabilidade pós-impressão de ± 90%, e o HA-Gel 5% foi reduzido pela metade até ± 45%. Além disso, a avaliação da miscibilidade proporcionou uma ideia da distância que deve ser considerada entre estruturas contíguas para serem independentes quando em contacto umas com as outras. Para as misturas HA-Gel, é necessário considerar um espaço de pelo menos 3-4 vezes a espessura do filamento durante o desenho. Contudo, estas biotintas demonstraram a capacidade de serem extrudidas como construções 3D carregadas de células de boa qualidade com um sistema de impressão e gelificação biocompatível, e têm o potencial de serem aplicadas em modelos de co-cultura mais complexos.
A impressão tridimensional de materiais biológicos está a facilitar o desenvolvimento de aplicações emergentes de engenharia de tecidos como de modelos tisulares de doenças e diagnóstico. As biotintas à base de hidrogel para bioimpressão por extrusão são amplamente aplicadas; no entanto, o desenvolvimento de uma nova biotinta enfrenta o desafio de cumprir todos os requisitos de printabilidade, para além de ter propriedades físico-químicas adequadas para proporcionar às células um microambiente biocompatível durante e após o processo de impressão. Este trabalho apresenta a síntese e a caraterização de biotintas de ácido hialurónico (HA) e gelatina (Gel) com enxerto de tiramina, com um sistema de reticulação enzimática com a enzima HRP (horseradish peroxidase) e peróxido de hidrogénio (H2O2) para desencadear a gelificação layer-by-layer e em demanda sobre um padrão extrudido com um sistema adicional de deposição de gotas. As tintas à base de HA (soluções 1-4%) e as suas misturas com gelatina (HA/Gel 80:20 v/v) apresentaram um comportamento de viscosidade adequado para serem extrudidas. Concentrações mais elevadas de polímero produziram uma melhor qualidade de construção. As biotintas HA-Gel foram impressas juntamente com células de hepatocarcinoma (HepG2) utilizando dois tamanhos de calibre de injetor (20G e 22G). A viabilidade celular não foi afetada pelos diferentes tamanhos de injetor aplicados, enquanto a concentração de polímero mostrou um efeito significativo, onde o HA-Gel 4% teve uma viabilidade pós-impressão de ± 90%, e o HA-Gel 5% foi reduzido pela metade até ± 45%. Além disso, a avaliação da miscibilidade proporcionou uma ideia da distância que deve ser considerada entre estruturas contíguas para serem independentes quando em contacto umas com as outras. Para as misturas HA-Gel, é necessário considerar um espaço de pelo menos 3-4 vezes a espessura do filamento durante o desenho. Contudo, estas biotintas demonstraram a capacidade de serem extrudidas como construções 3D carregadas de células de boa qualidade com um sistema de impressão e gelificação biocompatível, e têm o potencial de serem aplicadas em modelos de co-cultura mais complexos.
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Palavras-chave
bioink gelatin hyaluronic acid HepG2 printability