Establishing a 3D bioprinter in a biomedical research laboratory for the high resolution rapid prototyping of an auxetic cardiac patch

Abstract

Eine neue Entwicklung in der biomedizinischen Forschung könnte der Schlüssel zu einer erfolgreichen Wiederherstellung von geschädigtem Herzgewebe nach einem Herzinfarkt sein: Cardiac Patches, in vitro gezüchtete Herzgewebekonstrukte, die das erkrankte Gewebe des Patienten ersetzen und unterstützen sollen. Ziel ist es, mechanische und elektrische Stimulationen zu überbrücken und ein stabiles Substrat für Zell-Adhäsion und Zellwachstum zu schaffen. Gerüste aus biokompatiblen und biologisch ab baubaren Polymeren wie Polycaprolacton (PCL) bieten zwar eine gute mechanische Stabilität, verfügen aber nur selten über die gewünschten bioaktiven Eigenschaften. Die Lösung für ein erfolgreiches Patch könnte die Kombination von in Hydrogelen eingebetteten Zellen mit stabilen Polymergerüsten sein, um ein hochleistungsfähiges Komposit-Biomaterial zu erhalten.Bestimmte Mikrostrukturen können einem Biomaterial für eine anspruchsvolle Implantationsstelle wie das Myokard günstige mechanische Eigenschaften verleihen. Dieses Manuskript befasst sich mit der Entwicklung eines mikrostrukturierten PCL-Gerüsts für ein auxetisches (dehnt sich bei Streckung quer zur Streckrichtung aus) Cardiac Patch im 3D Druckverfahren.Die Installations- und Trainingsphase auf dem 3D-Biodrucker war ein wichtiger Teil dieses Projekts und wurde sorgfältig dokumentiert. Es wurden die Möglichkeiten und Grenzen des Systems erkannt und Ideen für die künftige Herstellung eines weiterentwickelten Patches gesammelt (z.B. Modifikationen des Gerüstmaterials ,Oberflächenbeschichtung). Hochauflösende, großflächige Drucke mit guter struktureller Integrität und hoher Reproduzierbarkeit wurde durch die Charakterisierung der 3D gedrucktenKonstrukte verifiziert. Im Zugversuch wurde gezeigt, dass bestimmte, für dasTissue Engineering am Herzen gewünschte mechanische Eigenschaften wie anisotrope Steifigkeit (Ex/Ey = 2,48) und Bruchdehnungen nahe dem physiologischen Bereich (7-20 %)durch die auxetische Mikrostruktur erfolgreich in das PCL-Gerüst implementiert werden konnten. Darüber hinaus wurde für die Konstrukte eine negative Poissonzahl unter -0,3 nachgewiesen, die für auxetische Materialien charakteristisch ist. Gute Biokompatibilität (Viabilität ~90%) und mäßige Zellanhaftung an das Gerüst wurden mit einem Proliferations-Assay und mittels Rasterelektronenmikroskopie gezeigt. Bei den Zellen handelte es sich um humane umbilikale venöse Endothelzellen (HUVECs), die auf dem Gerüst ausgesät und übereinen Zeitraum von 72 Stunden beobachtet wurden. Die Entwicklung dieses Herzpflaster-Prototyps war ein vielversprechender Start für ein laufendes Forschungsprojekt, das zum Ziel hat, ein effizientes Herstellungsverfahren für ein Hochleistungs-Biomaterial zur Behandlung von Herzinfarkten zu finden.

A recent development in biomedical research might hold the key to a successful revival of damaged cardiac tissue after Myocardial Infarction (MI): Cardiac patches are functioningcardiac tissue constructs, grown in-vitro, to replace and support the patient’s diseased tissue.The aim is to bridge mechanical and electrical stimulations and provide a stable substrate forcell-attachment and cell-growth. Scaffolds from biocompatible and biodegradable polymerslike polycaprolactone (PCL) provide good mechanical stability, but rarely provide the desired bioactive properties for tissue engineering. The solution for a successful patch might be the combination of hydrogel encapsulated cells with a stable polymer scaffold, to obtain a composite biomaterial.Certain microstructures can add favorable mechanical properties to a biomaterial for ademanding implantation site like the myocardium. This manuscript focuses on the development of a micropatterned PCL scaffold for an auxetic (when stretched, it becomes thicker perpendicular to the applied force) cardiac patch with a 3D printing approach.The installation- and training- phase on the 3D Bioprinter prior to the scaffold fabricatio nwas an important part of this project and was carefully documented. It gave insights into the capabilities and limits of the bioprinting system and fueled ideas for the future creation of amore advanced cardiac patch (e.g., scaffold material modifications, bioink surface-coating,ECM surface coating). High resolution printing over large areas with good structural integrity and high reproducibility was achieved and verified by the characterization of the 3D printed constructs.Tensile tests were conducted on the scaffolds. The test results proved that certain desired mechanical properties for cardiac tissue engineering, like an isotropic stiffness (Ex/Ey = 2.48) and ultimate strains close to the physiological range (7-20%) were successfully implemented into the PCL scaffold by incorporating the auxetic microstructure. Furthermore, a clearly negative Poisson’s ratio below -0.3, characteristic for auxetics, was shown for the constructs.Good biocompatibility (viability ~90%) and moderate cell-attachment to the scaffold was shown with a proliferation assay and via scanning electron microscopy. The cells were Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs); seeded on the scaffold and observed over a period of 72h.The development of this Cardiac Patch scaffold prototype was a promising start for anongoing research project to find an efficient manufacturing method for a high-performance biomaterial for the treatment of MI.