Printable Cell Growth Platform for the Assessment of Biomaterial-cell Interactions : A Focus on Patterns and Mineral Pigments
Soto Véliz, Diosángeles (2023-02-17)
Soto Véliz, Diosángeles
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
17.02.2023
Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.
Publikationens permanenta adress är
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4260-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4260-1
Abstrakt
Alla de beslut som celler dagligen gör, allt från celldelning till apoptos, är processer som är mycket komplexa och extremt noggrant reglerade. För att göra de optimala besluten, utnyttjar cellerna signaler från den extracellulära miljön, så som miljöns styvhet, porositet, topografi och kemi. Trots att celler är så beroende av den extracellulära miljön, odlas de av forskare traditionellt på plana plastytor som saknar de flesta, om inte alla, extracellulära signaler. De stora skillnaderna mellan klassisk 2D in vitro cellodling och hur celler fungerar in vivo har lett till många dyra och misslyckade kliniska försök. Ett alternativt för att förbättra laboratoriestudier är genom att man använder djurmodeller för att förutspå den mänskliga responsen, dock är inget djur biologiskt identiskt med människan och flera problem kvarstår. För att mera efterlikna fysiologiska och patologiska miljöer hos en människa, borde cellernas odlingsyta in vitro justeras enligt behov, vilket skulle ge en mera korrekt insyn i hur cellernas cellsignalering och mekanistiska processer påverkas av den extracellulära miljön. Det första steget för att förverkliga denna ambitiösa vision är att förändra de traditionella cellodlingsplattformarna till sådana som mera efterliknar cellens in vivo extracellul ära miljö.
Denna avhandling beskriver en tryckbar cellodlingsplattform som är kompatibel med de flesta storskaliga tillverknings- och ytmodifieringstekniker. Metoden möjliggör användningen av funktionella beläggnings- och trycktekniker, samtidigt som den förblir tillgänglig för konventionella biologiska bedömnings- och avbildningstekniker. Dessutom är den presenterade tryckbara cellodlingsplattformen billig och enkel att använda; den är allmänt tillgänglig för forskare som har tillgång till skrivbordsskärare och en hydrofobisk printer. Plattformskompatibilitet med beläggnings- och trycktekniker är en nyckelfaktor inom cellbiologins framtid. Plattformskompabilitet gynnar den tvärvetenskapliga integrationen av framsteg inom ytmodifiering och biomaterial för att reglera och kontrollera cellbeteende in vitro, samtidigt som det säkerställer möjlighet till massproduktion.
För att bevisa hypotesen har jag i denna avhandling valt vaxtryckning som ett verktyg för att studera cellvägledning och interaktioner mellan mineraler och fibroblaster. Vaxtryckning visade sig vara effektiv för cellvägledning och uppnådde cellodlingsmönster med storleken 50 μm, men i kombination med laserablation uppnåddes mönster med ännu högre upplösning (ned till 10 μm). Tack vare plattformens sandwichliknande struktur kunde både direkta och indirekta interaktioner mellan mineraler och fibroblaster studeras. Mineralpigment är mycket mångsidiga material som används inom olika vetenskaper för att modifiera och kontrollera de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ytor. Mineraler har potentialen att hjälpa till i den övergripande biomimiken av den cellulära miljön. Genom att studera samma mineraler i olika experimentella förhållanden med den tryckbara cellodlingsplattformen, kunde begräsningarna hos vanliga cellodlingsplattformar belysas. Resultaten kan variera drastiskt beroende på experimentuppsättningen, vilket gör det viktigt att utföra omfattande utvärderingar när biomaterials biokompabilitet studeras. Därutöver användes mineraler inom papperstillverkning för att framgångsrikt skapa en 3D-miljö för cancercelltillväxt inuti den tryckbara cellodlingsplattformen.
Framtida studier bör fokusera på förbåttringar av den övergripande sammanställningen av den tryckbara cellodlingsplattformen. Cellodlingsplattformen kunde även avsevärt förbättras genom införandet av mikrofluidik och ett 3Dutskrivet fodral. Dessutom kunde funktionellt tryckta sensorer läggas till för elektrokemisk stimulering, detektion och övervakning under cellodlingen. Ur ett forskningsperspektiv finns det tre stora möjligheter där den tryckbara cellodlingsplattformen kunde utnyttjas: (a) samodlingsmiljöer, (b) tidsberoendefrisättning av läkemedelsladdade porösa biomaterialbeläggningar och (c) papperstillverkning för cellkultur. Denna avhandling utforskar kortfattat papperstillverkning för cellodling och den kontroll den ger över cellens extracellulära miljö i pappersbaserade 3D-cancermodeller. I slutändan är målet att förbättra in vitro-bedömningen av biomaterial genom att imitera fysiologiska förhållanden genom ett enkelt tillvägagångssätt, som är kompatibelt både med laboratoriestudier och produktion i industriell skala. Den här avhandlingen kommer att föra forskningen ett steg närmare förståelsen för det invecklade samspelet mellan biologiska interaktioner.
Denna avhandling beskriver en tryckbar cellodlingsplattform som är kompatibel med de flesta storskaliga tillverknings- och ytmodifieringstekniker. Metoden möjliggör användningen av funktionella beläggnings- och trycktekniker, samtidigt som den förblir tillgänglig för konventionella biologiska bedömnings- och avbildningstekniker. Dessutom är den presenterade tryckbara cellodlingsplattformen billig och enkel att använda; den är allmänt tillgänglig för forskare som har tillgång till skrivbordsskärare och en hydrofobisk printer. Plattformskompatibilitet med beläggnings- och trycktekniker är en nyckelfaktor inom cellbiologins framtid. Plattformskompabilitet gynnar den tvärvetenskapliga integrationen av framsteg inom ytmodifiering och biomaterial för att reglera och kontrollera cellbeteende in vitro, samtidigt som det säkerställer möjlighet till massproduktion.
För att bevisa hypotesen har jag i denna avhandling valt vaxtryckning som ett verktyg för att studera cellvägledning och interaktioner mellan mineraler och fibroblaster. Vaxtryckning visade sig vara effektiv för cellvägledning och uppnådde cellodlingsmönster med storleken 50 μm, men i kombination med laserablation uppnåddes mönster med ännu högre upplösning (ned till 10 μm). Tack vare plattformens sandwichliknande struktur kunde både direkta och indirekta interaktioner mellan mineraler och fibroblaster studeras. Mineralpigment är mycket mångsidiga material som används inom olika vetenskaper för att modifiera och kontrollera de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ytor. Mineraler har potentialen att hjälpa till i den övergripande biomimiken av den cellulära miljön. Genom att studera samma mineraler i olika experimentella förhållanden med den tryckbara cellodlingsplattformen, kunde begräsningarna hos vanliga cellodlingsplattformar belysas. Resultaten kan variera drastiskt beroende på experimentuppsättningen, vilket gör det viktigt att utföra omfattande utvärderingar när biomaterials biokompabilitet studeras. Därutöver användes mineraler inom papperstillverkning för att framgångsrikt skapa en 3D-miljö för cancercelltillväxt inuti den tryckbara cellodlingsplattformen.
Framtida studier bör fokusera på förbåttringar av den övergripande sammanställningen av den tryckbara cellodlingsplattformen. Cellodlingsplattformen kunde även avsevärt förbättras genom införandet av mikrofluidik och ett 3Dutskrivet fodral. Dessutom kunde funktionellt tryckta sensorer läggas till för elektrokemisk stimulering, detektion och övervakning under cellodlingen. Ur ett forskningsperspektiv finns det tre stora möjligheter där den tryckbara cellodlingsplattformen kunde utnyttjas: (a) samodlingsmiljöer, (b) tidsberoendefrisättning av läkemedelsladdade porösa biomaterialbeläggningar och (c) papperstillverkning för cellkultur. Denna avhandling utforskar kortfattat papperstillverkning för cellodling och den kontroll den ger över cellens extracellulära miljö i pappersbaserade 3D-cancermodeller. I slutändan är målet att förbättra in vitro-bedömningen av biomaterial genom att imitera fysiologiska förhållanden genom ett enkelt tillvägagångssätt, som är kompatibelt både med laboratoriestudier och produktion i industriell skala. Den här avhandlingen kommer att föra forskningen ett steg närmare förståelsen för det invecklade samspelet mellan biologiska interaktioner.