Природные полимеры для 3D-биопечати органов

Природные полимеры для 3D-биопечати органов

Автор: Срослова Галина Алексеевна, Зимина Юлия Александровна, Несмеянова Елена Николаевна, Постнова Маргарита Викторовна

Журнал: Природные системы и ресурсы @ns-jvolsu

Рубрика: Биология и биотехнология

Статья в выпуске: 4 т.9, 2019 года.

Бесплатный доступ

Трехмерная (3D) биопечать, известная многообещающая технология для производства искусственных биологических органов, обеспечивающая беспрецедентную универсальность для манипулирования клетками и другими биоматериалами с точным контролем их местоположения в пространстве. За последнее десятилетие был разработан ряд технологий 3D-биопечати. В отличие от традиционных технологий изготовления, 3D-биопечать позволяет изготавливать индивидуальные или персонализированные тканевые конструкции. Это помогает депонировать клетки желаемого типа с выбранными биоматериалами и желаемыми биологически активными веществами. Природные полимеры играют ведущую роль в поддержании клеточных и биомолекулярных процессов как до, во время, так и после трехмерной биопечати. Полимеры биологического происхождения могут быть извлечены выделены из природного сырья с использованием физических или химических методов. Эти полимеры широко используются в качестве эффективных гидрогелей для загрузки клеток для формирования тканей, построения сосудистой, нервной, лимфатической сети, а также для реализации множественных биологических, биохимических, физиологических, биомедицинских и других функций. Любые природные полимеры, которые имеют золь-гель фазовый переход (то есть точку гелеобразования) при определенных условиях, могут быть напечатаны с помощью автоматического послойного способа осаждения. Фактически же, очень немногие из них могут быть напечатаны при различных условиях (низкая температура, без помощи физического, химического, биохимического сшивания включенных полимерных цепей). Таким образом, не все природные полимеры могут соответствовать всем основным требованиям для 3D-биопечати. Как правило, природные полимеры как основной компонент различных чернил, которые содержат клетки, взвешенные в определенной среде, должны отвечать нескольким основным требованиям для успешной 3D-биопечати органов, а также клинических применений. К ним относятся биосовместимость, то есть нетоксичные или без явной токсичности; биоразлагаемость (в отличие от небиоразлагаемых полимеров можно использовать в качестве вспомогательных структур); биостабильность с достаточно высокой механической прочностью как на момент обработки, так и в процессе эксплуатации; биопринтерность (обрабатываемость). Данный обзор посвящен современным исследованиям в области природных полимеров, используемых для печати биологических искусственных органов.

Еще

Трехмерная биопечать, природные полимеры, быстрое прототипирование (rp), производство органов, имплантируемые биоискусственные органы, регенеративная медицина

Короткий адрес: https://sciup.org/149131466

IDR: 149131466   |   DOI: 10.15688/nsr.jvolsu.2019.4.4

Список литературы Природные полимеры для 3D-биопечати органов

  • Зимина, Ю. А. Применение биопрепаратов на основе хитозана в сельском хозяйстве / Ю. А. Зимина, Г. А. Срослова, М. В. Постнова // Природные системы и ресурсы. - 2018. - T. 3, № 3. - C. 22-28.
  • A Synthetic Thermosensitive Hydrogel for Cartilage Bioprinting and Its Biofunctionalization with Polysaccharides / A. A. Abbadessa [et al.] // Biomacromolecules. - 2016. - Vol. 17, № 6. - P. 21372147. DOI: https//doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00366.
  • Axpe, E. Applications of Alginate-Based Bioinks in 3D bioprinting / E. Axpe, M.L. Oyen // Int. J. Mol. Sci. - 2016. - Vol. 17, № 12. - P. 1976. DOI: https/ /doi.org/10.3390/ijms17121976.
  • A Review of Trends and Limitations in Hydrogel-Rapid Prototyping for Tissue Engineering / T. Billiet [et al.] // Biomaterials. - 2015. -Vol. 33, № 26. - P. 6020-6041. DOI: https//doi.org/10.1016/ j.biomaterials.2012.04.050.
  • Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-Specific Hydrogel Bioink / A. Skardal [et al.] // J. Vis. Exp. - 2016. - Vol. 110. - P. 53606. DOI: https// doi.org/10.3791/53606.
  • Characterization of a PLGA Sandwiched Cell / Fibrin Tubular Construct and Induction of the Adipose Derived Stem Cells into Smooth Muscle Cells // X. Wang [et al.] // Mater. Sci. Eng. - 2011. - Vol. 31. - P. 801-808. DOI: https//doi.org/10.1016 /j.msec.2010.10.007.
  • Direct Construction of a Three-Dimensional Structure with Cells and Hydrogel / Y. Yan [et al.] // J. Bioact. Compat. Polym. - 2005. - Vol. 20, № 3. -P. 259-269. DOI: https//doi.org/10.1016 /j. ejca.2010.10.025.
  • Drury, J. L. The Tensile Properties of Alginate Hydrogels / J. L. Drury, R. G. Dennis, D. J. Mooney // Biomaterials. - 2004. - Vol. 25, № 16. -P. 3187-3199. DOI: https//doi.org/10.1016/j.biomaterials. 2003.10.002.
  • 3D Cell Printed Tissue Analogues: A New Platform for Theranostics / Y.-J. Choi [et al.] // Theranostics. - 2017. - Vol. 7, № 12. - P. 3118-3137. DOI: https//doi.org/10.1007/s10439-016-1612-8.
  • 2D, 3D and 4D Active Compound Delivery in Tissue Engineering and Regenerative Medicine / N. Hanauer [et al.] // Curr. Pharm. Des. - 2015. - Vol. 21, № 12. - P. 1506-1516. DOI: https//doi.org/10.2174/ 1381612821666150115153417.
  • Effects of Diabetes and Hypoxia on Gene Markers of Angiogenesis (HGF, cMET, uPA and uPAR, TGF-6, TGF-b, bFGF and Vimentin) in Cultured and Transplanted Rat Islets / B. Vasir [et al.] // Diabetologia. -2000. - Vol. 43, № 6. - P. 763-768. DOI: https//doi.org/ 10.1007/s001250051374.
  • Fu, X. T. Agarase: Review of Major Sources, Categories, Purification Method, Enzyme Characteristics and Applications / X. T. Fu, S. M. Kim // Mar. Drugs. - 2010. - Vol. 8, № 1. - P. 200-218. DOI: https//doi.org/ 10.3390/md8010200.
  • Global Surveillance of Cancer Survival 19952009: Analysis of Individual Data for 25,676,887 Patients from 279 Population-Based Registries in 67 Countries (CONCORD-2) / C. Allemani [et al.] // Lancet. - 2015. -Vol. 385. - P. 977-1010. DOI: https//doi.org/10.1016/ S0140-6736(14) 62038-9.
  • Gasperini, L. Natural Polymers for the Microencapsulation of Cells / L. Gasperini, J. F. Mano, R. L. Reis // J. R. Soc. Interface. - 2014. -Vol. 11, № 100. -P. 2014-2017. DOI: https//doi.org/10.1098/rsif.2014.0817.
  • In Vitro Angiogenesis of 3D Tissue Engineered Adipose Tissue / R. Yao [et al.] // Bioact. Compat. Polym. - 2009. - Vol. 24. - № 1. - P. 5-24. DOI: https//doi.org/10.1177 / 0883911508099367.
  • Langer, R. Tissue Engineering / R. Langer, J.P. Vacanti // Science. -1993. - Vol. 260. - P. 920-926. DOI: https//doi.org/10.1126/science.8493529.
  • Lei, M. Biodegradable Polymers and Stem Cells for Bioprinting / M. Lei, X. Wang // Molecules. -2016. - Vol. 21, № 5. - P. 539. DOI: https//doi.org/ 10.3390 / molecules21050539.
  • Lee, K. Y. Alginate: Properties and Biomedical Applications / K. Y. Lee, D. J. Mooney // Prog. Polym. Sci. - 2012. - Vol. 37, № 1. - P. 106-126. DOI: https// doi.org/10.1016 / j.progpolymsci.2011.06.003.
  • Mao, A.S. Regenerative Medicine: Current Therapies and Future Directions / A. S. Mao, D. J. Mooney // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2015. -Vol. 112, № 47. - P. 14452-14459. DOI: https//doi.org/ 10.1073 / pnas.1508520112.
  • Moniaux, N. A Reengineered Liver for Transplantation / N. Moniaux, J.A. Faivre // J. Hepatol. - 2011. - Vol.54, № 2. - P. 386-387. DOI: https//doi.org/ 10.1016 / j.jhep.2010.07.053.
  • Mosesson, M. W. Fibrinogen and Fibrin Structure and Functions / M. W. Mosesson // J. Thromb. Haemost. - 2005. - Vol. 3, № 8. - P. 1894-1904. DOI: https//doi.org/10.1111/j. 1538-7836.2005.01365.x.
  • Nagel, T. The Composition of Engineered Cartilage at the Time of Implantation Determines the Likelihood of Regenerating Tissue with a Normal Collagen Architecture / T. Nagel, D. Kelly // J. Tissue Eng. Part A. - 2013. - Vol.19, № 7. - P. 824-833. DOI: https//doi.org/10.1089/ten.TEA.
  • Nair, L.S. Biodegradable Polymers as Biomaterials / L.S. Nair, C.T. Laurencin // Prog. Polym. Sci. -2007. - Vol. 6, № 9. - P. 762-798. DOI: https// doi.org/10.1163/156856295x00175.
  • Ozbolat, I. T. Current Advances and Future Perspectives in Extrusion-Based Bioprinting / I.T. Ozbolat, M. Hospodiuk// Biomaterials. - 2016. -Vol. 76. - P. 321-343. DOI: https//doi.org/10.1016/ j .biomaterials.2015.
  • Panwar, A. Current Status of Bioinks for Micro-Extrusion-Based 3D Bioprinting / A. Panwar, L.P. Tan // Molecules. - 2016. - Vol. 21, № 6. - P. 685. DOI: https//doi.org/10.3390/molecules21060685.
  • Park, Y. D. Photopolymerized Hyaluronic Acid-Based Hydrogels and Interpenetrating Networks / Y. D. Park, N. Tirelli, J. A. Hubbell // Biomaterials. -2003. - Vol. 24, № 6. - P. 893-900. DOI: https//doi.org/ 10.1016/s0142-9612(02)00420-9.
  • Patrick, C. W. Jr. Adipose Tissue Engineering: The Future of Breast and Soft Tissue Reconstruction Following Tumor Resection / C.W. Jr. Patrick // Semin. Surg. Oncol. - 2000. - Vol. 19, № 3. - P. 302-311. DOI: https//doi.org/10.1002/1098-2388(200010/11)19:3s.
  • Pawar, S. N. Alginate Derivatization: A Review of Chemistry, Properties and Applications / S. N. Pawar, K. J. Edgar // Biomaterials. - 2012. - Vol. 33. - № 11. -P. 3279-3305. DOI: https//doi.org/10.1016/ j.biomaterials.2012.01.007.
  • Perfusion-Decellularized Matrix: Using Nature's Platform to Engineer a Bioartificial Heart / H.C. Ott [et al.] // Nat. Med. - 2008. - Vol. 14, № 2. -P. 213-221. DOI: https//doi.org/10.1038/nm1684.
  • Preparation and Characterization of a Collagen / Chitosan / Heparin Matrix for an Implantable Bioartificial Liver / X. Wang [et al.] // J. Biomater. Sci. Polym. Ed. - 2005. - Vol. 16, № 9. - P. 1063-1080. DOI: https//doi.org/10.1163/1568562054798554.
  • Preparation and Rheological Characterization of a Gel form of the Porcine Urinary Bladder Matrix / D. O. Freytes [et al.] // Biomaterials. - 2008. - Vol. 29, № 11. - P. 1630-1637. DOI: https//doi.org/10.1016/ j .biomaterials.2007.12.014.
  • Printing Three-Dimensional Tissue Analogues with Decellularized Extracellular Matrix Bioink / F. Pati [et al.] // Nat. Commun. -2014. - Vol. 6, № 3. - P. 3935. DOI: https//doi.org/10.1038/ ncomms4935.
  • Process Development of an Acellular Dermal Matrix (ADM) for Biomedical Applications / R. N. Chen [et al.] // Biomaterials. - 2004. - Vol. 25. - P. 2679-2686. DOI: https//doi.org/10.1016/j.biomaterials.2003.09.070.
  • Progress in Organ 3D Bioprinting / F. Liu [et al.] // Int. J. Bioprint. - 2018. - Vol. 4. - P. 1-15. DOI: https//doi.org/10.18063/ijb.v4i1.128.
  • Rapid Prototyping a New PolyurethaneCollagen Conduit and its Schwann Cell Compatibility / T. Cui [et al.] // Bioact. Compat. Polym. -2009. - Vol. 15, № 1. - P. 5-17. DOI: https//doi.org/10.1089/ten.tec.
  • Recellularization of Well-Preserved Acellular Kidney Scaffold Using Embryonic Stem Cells / B. Bonandrini [et al.] // Tissue Eng. Part A. - 2014. - Vol. 20, № 9. - P. 1486. DOI: https//doi.org/ 10.1089/ten. TEA.2013.0269.
  • Stanton, M. M. Bioprinting of 3D Hydrogels / M. M. Stanton, J. Samitier, S. Sanchez // Lab Chip. -
  • 2015. - Vol. 15, № 15. - P. 3111-3115. DOI: https// doi.org/10.1039/c5lc90069g.
  • Synthesis and Characterization of Hybrid Hyaluronic Acid-Gelatin Hydrogels / G. Camci-Unal [et al.] // Biomacromolecules. - 2013. - Vol. 14, № 4. -P. 1085-1092. DOI: https//doi.org/10.1021/bm3019856.
  • The Integrations of Biomaterials and Rapid Prototyping Techniques for Intelligent Manufacturing of Complex Organs / X. Wang [et al.] // Advances in Biomaterials Science and Applications in Biomedicine. - Rijeka : In Tech, 2013. - P. 437-463. DOI: https// doi. org/10.5772/53114.
  • Tonnesen, H. H. Alginate in Drug Delivery Systems / H. H. Tonnesen, J. Karlsen // Drug Dev. Ind. Pharm. - 2002. - Vol. 28, № 6. - P. 621-630. DOI: https/ /doi.org/10.1081/ddc-120003853.
  • Wang, X. Intelligent Freeform Manufacturing of Complex Organs // Artif. Org. - 2012. - Vol. 36, № 11. -P. 951-961. DOI: https//doi.org/10.1111/j.1525-1594.2012.01499.x.
  • Wang, X. A Combined Rotational Mold for Manufacturing a Functional Liver System / X. A. Wang, Y. W. Huang, C. Liu // J. Bioact. Compat. Polym. - 2015. -Vol. 39, № 4. - P. 436-451. DOI: https//doi.org/10.1177/ 0883911515578872.
  • Wang, X. Optimizing the Step by Step Forming Processes for Fabricating a PLGA Sandwiched Cell / Hydrogel Construct / X. Wang, S. Sui, C. Liu // J. Appl. Polym. Sci. - 2011. - Vol. 120, № 2. - P. 11991207. DOI: https//doi.org/10.1002/app.33093.
  • Wang, X. Pulsatile Culture of a PLGA Sandwiched Cell / Hydrogel Construct Fabricated Using a Step by Step Mold / Extraction Method / X. Wang, S. Sui // Artif. Organs. - 2011. - Vol. 35, № 6. - P. 645-655. DOI: https//doi.org/10.1111/j. 1525-1594.2010.01137.x.
  • Wang, X. Gelatin-Based Hydrogels for Controlled Cell Assembly / X. Wang, Y. Yan, R. Zhang // Biomedical Applications of Hydrogels Handbook. -N. Y. : Springer, 2010. - P. 269-284. DOI: https//doi.org/ 10.1007/978-1-4419-5919-5_14.
  • Wang, X. Rapid Prototyping as Tool for Manufacturing Bioartificial Livers / X. Wang, Y. Yan, R. Zhang // Trends Biotechnol. - 2007. - Vol. 25, № 11. -P. 505-513. DOI: https//doi.org/10.1177 / 088391151557 8872.
  • Wang, X. Recent Trends and Challenges in Complex Organ Manufacturing / X. Wang, Y. Yan, R. Zhang // Tissue Eng. Part B. - 2010. - Vol. 16, № 2. -P. 189-197. DOI: https//doi.org/10.1089/ ten.TEB.2009.0576.
  • Widmaier, E. P. The Mechanisms of Body Function / E. P. Widmaier, H. Raff, K. T. Strang // Vander's Human Physiology. - N. Y. : McGraw-Hill, 2012. - P. 250-291.
  • Yelin, E. The Burden of Musculoskeletal Diseases in the United States / E. Yelin, S. Weinstein, T. King // Semin. Arthritis Rheum. - 2016. - Vol. 46, №3. - P. 259-260. DOI: https//doi.org/10.1016/ j.semarthrit.2016.07.013.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp