Optimalizace dispenzoru bioinkoustu pro 3D biotisk na plošné substráty

Abstract

Účelem této práce bylo experimentálně ověřit možnosti technického vylepšení 3D biotisku, využívajícího prostorového tisku pro tvorbu trojrozměrných objektů při vytváření umělých tkáňových náhrad a při optimalizaci procesu dávkování buněčné suspenze, tedy tkáním podobného materiálu nazývaného bioinkoust. Jelikož tvorba kvalitního bioinkoustu je poměrně složitá a nákladná záležitost, má racionalizace jeho využití a dávkování v procesu biotisku zásadní význam. Kromě hlediska hospodárnosti, má správné dávkování bioinkoustu značný význam i z hlediska zajištění úspěšné proliferace dávkované buněčné kultury a homogenity jejího rozprostření ve tkáních příjemce, v případě tohoto experimentu v substrátu tvořeném kolagenovými nanovlákny. V současné době nejběžněji používaná metoda biotisku, založená na vytlačování bioinkoustu pomocí pneumatického tlaku z dávkovače (dispenzoru) biotiskárny na plošný substrát se potýká s některými nedořešenými technickými možnostmi, jako je nastavení optimálního tlaku při pneumatickém vytlačování bioinkoustu z dispenzoru. Optimální tlak na bioinkoust během tisku není dán jen jeho viskozitou a dalšími parametry použitého materiálu, ale i vlastnostmi dávkovače tiskárny. Tato diplomová práce se snažila dokázat, že z hlediska výsledné objemové přesnosti tisknutého bioinkoustu se nejoptimálnější variantou dávkování bioinkoustu jeví exaktní dávkování metodou šroubového pohybu lineárně krokového přídavného motoru dispenzoru, zajišťujícího přesné lineární vedení pístní tyče dispenzní injekční stříkačky. O vlastnostech takto nově navrženého, a v rámci diplomové práce vyrobeného a odzkoušeného dispenzoru bioinkoustu je v další části podrobně pojednáno.

The purpose of this work was to experimentally verify the possibilities of technical improvement of 3D bioprinting that uses three-dimensional printing in order to create three-dimensional objects of artificial tissue replacements and in optimizing the process of dosing the cell suspension, i.e. by weaving a similar material called bio-ink. As the production of high-quality bio-ink is a relatively complex and expensive matter, the rationalization of its use and dosing in the bioprinting process is of fundamental importance. In addition to the economy, proper dosing of the bio-ink is of considerable importance in ensuring the successful proliferation of the dosed cell culture and the homogenity of its distribution in the recipient tissues, in case of this experiment in a substrate formed of collagen nanofibers. Currently, the most commonly used method of bioprinting, based on extrusion of bio-ink by means of pneumatic pressure from the dispenser of the bioprinter to a flat substrate, faces some unresolved technical possibilities, such as setting the optimal pressure for pneumatically extruding bio-ink from the dispenser. The optimal pressure on the bio-ink during printing is not determined only by its viscosity and other parameters of the material used, but also by properties of the printer dispenser. This diploma thesis tried to prove that in terms of the resulting volumetric accuracy of the printed bio-ink, the most optimal variant of bio-ink dosing appears to be the exact dosing by screw motion of a linearly stepping dispenser's auxiliary motor, ensuring precise linear guidance of the dispensing syringe piston rod. About the properties of this newly designed, produced and tested bio-ink dispenser is discussed in detail in next sections.