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May 05, 2023

Elektrisch leitfähige Gerüste, die die hierarchische Struktur kardialer Muskelfasern nachahmen

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2863 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Elektrisch leitfähige Gerüste, die die einzigartige Richtungsausrichtung der Muskelfasern im Myokard nachahmen, werden mithilfe der 3D-Druck-Mikrostereolithographietechnik hergestellt. Polyethylenglykoldiacrylat (lichtempfindliches Polymer), Irgacure 819 (Fotoinitiator), Curcumin (Farbstoff) und Polyanilin (leitendes Polymer) werden gemischt, um die leitfähige Tinte herzustellen, die durch eine radikalische Fotopolymerisationsreaktion vernetzt wird. Curcumin fungiert als Flüssigkeitsfilter und verhindert, dass Licht tief in die lichtempfindliche Lösung eindringt, und spielt eine zentrale Rolle im 3D-Druckprozess. Die erhaltenen Gerüste weisen eine gut definierte Morphologie mit einer durchschnittlichen Porengröße von 300 ± 15 μm und halbleitenden Eigenschaften mit einer Leitfähigkeit von ~ 10–6 S/m auf. Cyclovoltammetrie-Analysen erfassen die Elektroaktivität und verdeutlichen, dass der Elektronentransfer auch eine Ionendiffusion zwischen dem Polymer und der Elektrolytlösung beinhaltet. Gerüste erreichen ihr maximales Quellausmaß 30 Minuten nach dem Eintauchen in PBS bei 37 °C und nach 4 Wochen zeigen sie eine langsame hydrolytische Abbaurate, die typisch für Polyethylenglykol-Netzwerke ist. Leitfähige Gerüste weisen eine einstellbare Leitfähigkeit auf und bieten den kultivierten kardialen Vorläuferzellen der Maus eine optimale Umgebung.

Biologische Gewebe werden normalerweise nach den in ihrer Textur eingebetteten Zelltypen, der Expression verschiedener Moleküle, die zu ihrer Maschinerie beitragen, und den Familien von Faktoren, die in verschiedenen Schritten ihrer Differenzierung ausgeschieden werden, kategorisiert. Allerdings werden sie auch von schwachen elektrischen Strömen durchflossen, die für ihre interzelluläre Kommunikation und Funktion entscheidend sind1. Im Myokard und in den Nerven werden diese Grundströme von selbst erzeugten zyklischen elektrischen Wellen überlagert, die Signale und mechanische Kräfte erzeugen können, die über benachbarte Zellen bis in die periphersten Regionen des Körpers wandern. In diesem Zusammenhang wird die Funktion des Myokardgewebes durch die einzigartigen mechanischen Eigenschaften und die anisotrope Struktur des Herzgewebes moduliert, in dem das breite dreidimensionale Netzwerk der extrazellulären Matrix (ECM) die Kardiomyozyten ausrichtet, sie mechanisch koppelt, um ihre elektrische Konnektivität sicherzustellen, und Bietet elastische Unterstützung während der ventrikulären Kontraktion. Die Ausrichtung der Myokardfasern variiert transmural in der gesamten Ventrikelwand. Diese Fasern verlaufen im subendokardialen Bereich in rechtsgängiger Helixrichtung, verlaufen zirkulär durch die Mittelwand und drehen sich im subepikardialen Bereich in die linksgängige Helixrichtung, was wesentlich zum Herzpumpen beiträgt2,3. Unter anderem traumatische Ereignisse und degenerative Erkrankungen führen häufig zu irreparablen Schäden an dieser bewundernswerten Bioarchitektur aufgrund der schlechten angeborenen Regenerationsfähigkeit des Herzens4. Verletzte Bereiche werden durch kollagenreiches Narbengewebe ersetzt, das die Ventrikelgeometrie verformt und den regelmäßigen Fluss elektrischer Signale behindert, was auf lange Sicht zu Herzrhythmusstörungen und Herzversagen führt5.

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in den Biowissenschaften, dem Ingenieurwesen, den Materialwissenschaften und fortschrittlichen Mikro-/Nano-Herstellungstechniken die Möglichkeit nahegelegt, verletzte ventrikuläre Regionen durch die Herstellung und Implantation von Streifen aus gesundem Myokard zu reparieren. Zu diesem Zweck wurde ein multidisziplinärer Ansatz (Tissue Engineering) eingesetzt, um der Komplexität der Bioarchitektur und Funktion des Myokardgewebes gerecht zu werden. In einem typischen Tissue-Engineering-Experiment werden Stammzellen in ein biokompatibles Polymergerüst eingepflanzt, das die ECM des Gewebes vage nachahmt. Das Gerüst besteht normalerweise aus natürlichem oder synthetischem Biomaterial oder einer Kombination aus beidem (Gerüst). Mit diesem Ansatz wurden mehrere künstliche herzähnliche Gewebe hergestellt und in vivo implantiert6,7,8,9,10,11. Trotz außergewöhnlicher weltweiter Bemühungen waren die Ergebnisse jedoch noch nicht ausreichend, um einen klinischen Einsatz in Betracht zu ziehen12,13. Die Ursache für dieses Versagen liegt unter anderem meist in Gerüsten, die die Bioarchitektur des Gewebes nur unzureichend nachahmen14. Ursprünglich waren die Gerüste lediglich als mechanische Unterstützung für das Wachstum und die Vermehrung der kultivierten Zellen gedacht. Später stellte sich heraus, dass die Zelldifferenzierung durch spezifische physikalische, chemische, mechanische und biologische Eigenschaften des Gerüsts verbessert werden kann, während darauf gewartet wird, dass die Zellen ihre eigene ECM absondern.

Über Gerüste konnte umfangreiche Literatur gefunden werden, die einige oder alle dieser Eigenschaften nachweist15,16,17,18. Allerdings wurden zwei Hauptprobleme bei den derzeit verwendeten, ansonsten nicht elektrisch leitfähigen Gerüsten nicht ausreichend angegangen. Die erste besteht darin, dem Gerüst die Fähigkeit zu verleihen, die richtige Ausrichtung der Kardiomyozyten zu induzieren. Zweitens kann die Schaffung einer elektrisch leitenden Umgebung die interzelluläre Kommunikation und Synchronisierung zwischen unreifen Herzstammzellen verbessern, die aufgrund der noch schlechten Organisation der Gap Junctions unter einer verringerten Leitfähigkeit leiden.

Bei den Gap Junctions handelt es sich um Zellmembranstrukturen, die den schnellen Ionenaustausch ermöglichen, der für die effiziente Ausbreitung von Aktionspotentialen durch die Herzwand und die Ausbreitung der Signalmoleküle notwendig ist. Allerdings sind die Gap Junctions in menschlichen Kardiomyozyten im Neugeborenenstadium über ihre gesamte Zelloberfläche verteilt und erreichen ihre endgültige Reifung und Polarisierung in die interkalierten Bandscheiben erst, wenn der Mensch 6 Jahre alt ist19. Eine ähnliche Verteilung wurde bei Mäusen und Hunden beobachtet, bei denen die Gap Junctions ihre Reife und Polarisierung erst erreichten, als die Tiere 90 Tage alt waren20. Diese Daten deuten darauf hin, dass die elektrische Leitfähigkeit des Myokards mit zwei verschiedenen elektrischen Netzen zusammenhängt: Das erste ist im frühen Leben aktiv, basiert auf der ECM und trägt wesentlich zur Signalübertragung an die sich entwickelnden unreifen Zellen bei. Während die zweite typischerweise auf den reifen Kardiomyozyten basiert, vermittelt sie den Kontraktionsreiz und hat nach ihrer Etablierung einen geringen Einfluss auf den Zellphänotyp.

Ausgehend von früheren Studien zu innovativen Methoden zur Herstellung von Biomaterialien und Biosystemen21,22,23 bestand das Hauptziel der vorliegenden Studie darin, elektrisch leitfähige Gerüste zu entwickeln, die die hierarchische Ausrichtung von Herzmuskelfasern nachahmen, und zwar unter Verwendung des 3D-Druck-Projektions-Mikrostereolithographie-Ansatzes aus technischer Sicht.

Die Leitfähigkeit wurde durch Mischen des leitfähigen Polymers Polyanilin (PANI) mit Hydrogelen aus Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) erreicht, um eine leitfähige Tinte für den 3D-Druck herzustellen. Die erhaltenen Gerüste zeigten halbleitende Eigenschaften (~ 10–6 S/m) mit einer durchschnittlichen Porengröße von 300 ± 15 μm. Die Leitfähigkeit kann leicht angepasst werden, indem die Konzentration von PANI in der Vorläuferlösung gesteuert wird. Die Lebensfähigkeit der kardialen Vorläuferzellen der Maus, die auf leitfähigen Gerüsten kultiviert wurden, war vergleichbar mit der von Zellen, die auf nichtleitenden Gerüsten kultiviert wurden.

Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Reagenzien von Merck KGaA bezogen und wie erhalten verwendet.

PANI wurde nach einem zuvor optimierten Protokoll24 synthetisiert. Kurz gesagt, nach der Destillation unter vermindertem Druck wurden 5 mmol Anilin (Fluka) zu einer 1 M HCl-Lösung gegeben, die eine entsprechende Menge Natriumdodecylsulfat (SDS) enthielt, und 30 Minuten lang beschallt. Parallel dazu wurden 5 mmol Ammoniumpersulfat zu einer weiteren 1 M HCl-Lösung gegeben. Diese Mischung wurde langsam zur obigen Anilinmischung gegeben, auf 0–5 °C abgekühlt und 6 Stunden lang gerührt. Während dieser Zeit begann sich ein dunkelgrüner PANI-Niederschlag zu bilden, was auf die Polymerisation von Anilin zu PANI hinweist. Nach vollständiger Fällung wurde PANI herausfiltriert und gründlich mit 1 M HCl-Lösung, dann mit Wasser und Ethanol gewaschen. Nach gründlichem Waschen wurde die Aufschlämmung über Nacht bei 50 °C im Vakuum getrocknet. Das erhaltene PANI-Pulver wurde dann in einem Mörser und Pistill gemahlen, um eine feine Partikelgröße zu erhalten.

Die Vorläuferlösung für die Photopolymerisation war eine Mischung aus PEGDA (MW 575 Da) als lichtempfindlichem Polymer, aus Curcuma longa extrahiertem Curcumin als lichtabsorbierendem Farbstoff und Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid (ebenfalls). bekannt als Irgacure 819) als Photoinitiator. Curcumin und Irgacure wurden in der PEGDA:Ethanol-Lösung mit einem Volumenverhältnis von 3:1 gelöst, um das Vorläufersystem zu erhalten (Tabelle 1). Der mit Aluminiumfolie bedeckte Kolben wurde über Nacht zum Rühren in einer dunklen Umgebung stehengelassen. Später wurde eine geeignete Menge des synthetisierten PANI-Pulvers durch Ultraschallbehandlung und magnetisches Rühren in der Vorläuferlösung dispergiert. Dieser Vorgang wurde jedes Mal wiederholt, um fotohärtbare Tinten mit unterschiedlichen Mengen an dispergiertem PANI zu erhalten.

Zur Herstellung der Gerüste wurde Projektionsmikrostereolithographie (PµSL) verwendet, wie in Abb. 1 dargestellt. Der gesamte PμSL-Aufbau wurde auf einem optischen Steckbrett montiert. Um ein Gerüst herzustellen, wurde es zunächst mit der AutoCAD-Software Version 2016 für Windows (https://www.autodesk.com/products/autocad) entworfen, nachdem optimale Designparameter wie Form, Porengröße, Geometrie, Abmessungen usw. berücksichtigt wurden. Eine Stereolithografiedatei (.stl) wurde exportiert und verwendet, um die 3D-Geometrie mithilfe der Slic3r-Softwareversion 1.3.0 für Windows (https://slic3r.org/) virtuell in 2D-Projektionen zu zerlegen. Diese Schnittprojektionen wurden als digitale Abdrücke verwendet und können auch in PowerPoint-Software erstellt werden. Als Quelle für sichtbares Licht wurde ein Overheadprojektor (Acer X1385WH) verwendet, der eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit einem Lichtstrom von 3400 Lumen enthielt.

Schema des maßgeschneiderten 3D-Druck-Mikrostereolithographie-Aufbaus. Das Gerüst wird mit AutoCAD entworfen und die 3D-Geometrie wird virtuell in 2D-Projektionen/Eindrücke zerlegt, die als digitale Fotomaske dienen. Der Projektor wirft diese Eindrücke auf einen Spiegel, der dann auf die Oberfläche der lichtempfindlichen Lösung reflektiert wird. Nur der beleuchtete Bereich der Lösung wird durch die Photopolymerisationsreaktion vernetzt und es entsteht eine feste Schicht. Der Tisch wird um einige Mikrometer nach unten bewegt und die frische Lösung bedeckt diese gedruckte Schicht. Auch hier wird die Lösung mit einem weiteren Abdruck beleuchtet, um eine zweite Schicht auf die erste Schicht aufzutragen. Auf diese Weise wird ein 3D-Gerüst hergestellt, indem 2D-Schichten übereinander abgeschieden werden. Einige Bilder wurden von Servier Medical Art unter der CC-BY 3.0-Lizenz bezogen.

Die 3-Achsen-Bewegung des Tisches wurde manuell über die darauf montierten Mikrometer gesteuert und sie konnten den Tisch entlang jeder Achse um eine Mindeststrecke von 10 μm bewegen. Vor Beginn des Druckvorgangs wurde der Tisch entsprechend der Dicke jeder gedruckten Schicht 100 μm in die Lösung eingetaucht. Anschließend wurde jeder Abdruck vom Projektor aus über eine konvexe Linse (Brennweite = 201,0 mm) auf einen Spiegel fokussiert. Anschließend wurde es an der Oberfläche der lichtempfindlichen Lösung reflektiert, in die der Objekttisch bereits eingetaucht war. Der Bereich der lichtempfindlichen Lösung, der mit einem Abdruck beleuchtet wurde, vernetzte die Lösung durch die radikalische Polymerisationsreaktion und erzeugte so eine 2D-Schicht. Die Dicke dieser gedruckten Schicht betrug 100 μm, entsprechend der Tiefe, in der der Tisch ursprünglich in die Lösung eingetaucht war. Nach der Abscheidung der ersten Schicht wurde der Tisch erneut 100 µm in die Lösung eingetaucht und die frische Lösung bedeckte diese gedruckte Schicht. Anschließend wurde es mit dem zweiten Abdruck beleuchtet, wodurch die zweite Schicht mit einer Dicke von 100 μm auf der ersten Schicht abgeschieden wurde. Durch die kontinuierliche Ablagerung von Schichten übereinander entstand ein 3D-Gerüst mit kontrollierter Dicke jeder Schicht. Die PEGDA-Matrix wurde hergestellt, als die Lösung mit einem festen Abdruck (z. B. einem Vollkreis) im Gegensatz zu den faserigen Abdrücken beleuchtet wurde. Dies wiederum erzeugte eine feste Schicht ohne Poren, und zwar über die gleiche radikalische Polymerisationsreaktion, die in Abb. 1 beschrieben ist.

Mit einem Spektrophotometer (Perkin Elmer Lambda 750) wurden Lichtabsorptionsspektren im Bereich von 300–800 nm erhalten. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde durchgeführt, um die Morphologie der Gerüste zu analysieren. Die Oberfläche der Gerüste wurde bei verschiedenen Spannungen (5, 10, 15 kV) und Vergrößerungen mit dem Rasterelektronenmikroskop HITACHI TM 4000 gescannt. Die Infrarotspektroskopie wurde mit dem ThermoFisher Scientific™ Nicolet™ iS50 FTIR-Spektrometer mit integriertem Diamantkristall-ATR-Modul durchgeführt. Der Scan wurde zwischen 4000 und 500 cm−1 im Absorptionsmodus durchgeführt.

Die Gesamtleitfähigkeit der Gerüste wurde über zwei Sondenleitfähigkeitsmessungen bei Raumtemperatur mit dem Keithley 2700 Multimeter bewertet. Gerüste (einige Mikrometer dünn) wurden zwischen zwei Stahlsonden (1,5 mm Radius) platziert, um ihren elektrischen Widerstand in einem Zeitdurchlaufmodus zu messen. Der zu verschiedenen Zeitpunkten gescannte Widerstand wurde mit der LabVIEW-Software aufgezeichnet. Die elektrische Leitfähigkeit wurde mit Gl. berechnet. (1):

wobei σ = elektrische Leitfähigkeit (S/m), l = Dicke des Gerüsts (m), r = Radius der Stahlsonde (m), R = durchschnittlicher elektrischer Widerstand (Ω).

Die elektrochemische Reaktion wurde mithilfe der zyklischen Voltammetrie (CV) in einer Standardzelle mit einem Kompartiment und drei Elektroden unter Verwendung einer kompakten elektrochemischen Workstation von Palm Sense bewertet. Die CV-Kurven wurden im Bereich von + 0,4 V bis + 0,9 V bei verschiedenen Scanraten (10–18 mV/s) erhalten. Als Referenz- bzw. Gegenelektrode wurden eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) und eine Platinfolie verwendet. Die Arbeitselektrode wurde durch die Bereitstellung eines Platinkontakts auf der Rückseite der zu untersuchenden Gerüste realisiert.

Der Quellungsgrad wurde gemessen, um die Quellgrenze der Gerüste unter physiologischen Bedingungen (pH = 7,4, 37 °C) zu bewerten. Die Gerüste wurden in 1X PBS getaucht und bei 37 °C gehalten. Der Quellungsgrad wurde bestimmt, indem der Massenunterschied zwischen dem trockenen und dem nassen Gerüst in verschiedenen Zeitintervallen unter Verwendung der folgenden Gleichung gemessen wurde: (2):

wobei Mw = Masse des nassen Gerüsts zum Zeitpunkt t, Md = Masse des trockenen Gerüsts.

Die Abbaukinetik wurde überwacht, um die Abbaurate verschiedener Gerüste herauszufinden. Zu diesem Zweck wurden die Gerüste 4 Wochen lang bei 37 °C in 1X PBS getaucht. Nach jeder Woche wurde berechnet, wie viel Masse jedes Gerüst verlor, indem die Differenz zwischen der Masse des vollständig aufgequollenen Gerüsts und der Masse des Gerüsts nach jeder Woche unter Verwendung der folgenden Gleichung gemessen wurde: (3):

wobei Ms = Masse des vollständig aufgequollenen Gerüsts, Mt = Masse des Gerüsts zum Zeitpunkt t.

Zur Prüfung der Gerüstbiokompatibilität wurden kardiale Vorläuferzellen (mCPCs) von Mäusen verwendet. Die Zellen wurden wie zuvor beschrieben aus den Herzen von 6 Wochen alten C57/BI-Mäusen isoliert25. Die Zellen wurden in DMEM (Gibco) kultiviert, das 10 % FBS (Gibco), 1 % Penicillin-Streptomycin und 1 % L-Glutamin (Sigma Aldrich) enthielt. Vor der Zellaussaat wurden die Gerüste zur Sterilisation 1 Stunde lang in 70% iger Ethanollösung eingeweicht. Danach wurden sie in einer sterilen, belüfteten biologischen Haube getrocknet und in eine Platte mit 24 Vertiefungen gegeben. Die Gerüste wurden dann mit sterilem PBS gewaschen und mit DMEM, das 20 % FBS enthielt, 24 Stunden lang bei 37 °C äquilibriert, um die Zelladhäsion zu verbessern.

Die Zellen wurden mit einer Dichte von 2 × 104 Zellen/cm2 ausgesät und in DMEM mit 10 % FBS bei 37 °C inkubiert. Als Kontrollgruppe galten die Zellen in Wells ohne Gerüste. Nach 120 Stunden wurden sowohl anhaftende als auch suspendierte Zellen jeder Vertiefung geerntet und mit einem 0,4 %igen Trypanblau-Assay angefärbt, um die Lebensfähigkeit zu beurteilen (Sigma-Aldrich, Mailand, Italien). Die lebenden und toten Zellen wurden unter einem inversen optischen Mikroskop dreifach gezählt und dreimal wiederholt.

Die statistische Analyse wurde mit GraphPad Prism (GraphPad Software, San Diego, CA, USA, https://www.graphpad.com) durchgeführt. Daten aus sechs unabhängigen Experimenten wurden für jede Variable quantifiziert und analysiert. Zum Vergleich der Mittelwerte wurde der zweiseitige t-Test mit gleicher Varianz sowie der Einweg-ANOVA-Test verwendet. Der Schwellenwert für die statistische Signifikanz wurde auf P < 0,05 festgelegt und die Standardabweichungen (SD) der Mittelwerte wurden für jeden Probentyp berechnet. Die Daten werden als Mittelwert ± SD dargestellt

Die Effizienz der Photopolymerisationsreaktion hängt stark vom Gleichgewicht der Lichtabsorptionskapazität der einzelnen Komponenten in der Vorläuferlösung ab. Diese Kapazität kann als Absorptionskoeffizient (α) beschrieben werden, der angibt, wie viel Licht pro Zentimeter der Lösung absorbiert wird, während es durch die Lösung wandert. Zur Berechnung wurden zunächst die Absorptions-Wellenlängen-Spektren der Komponenten bei niedrigeren Konzentrationen mit einem Spektrophotometer ermittelt, wie in Abb. 2a – c dargestellt. Die direkte Messung dieser Spektren relativ zur tatsächlichen Konzentration in der Lösung konnte nicht durchgeführt werden, da die UV-sichtbare Spektroskopie bei konzentrierten Lösungen nicht gut funktioniert.

Die Absorptionsspektren von (a) Curcumin in Ethanol, (b) Irgacure in Aceton und (c) PANI in PEGDA bei niedrigen Konzentrationen. Die Einschübe zeigen die Absorptionswerte bei 400 nm, aufgetragen gegen diese Konzentrationen jeder Komponente, um ein Liniendiagramm zu erhalten. Diese extrapolierten Liniendiagramme wurden dann verwendet, um die in der eigentlichen Synthese verwendeten Absorptionswerte abzuschätzen. (d) Der Absorptionskoeffizient im Wellenlängenbereich von 300–800 nm aller Komponenten im Verhältnis zu ihrer tatsächlichen Konzentration in der Endlösung.

Nachdem mehrere Absorptions-/Wellenlängenspektren bei niedrigen Konzentrationen erhalten wurden, wurden die Absorptionswerte beim 400-nm-Grenzwert gegen die entsprechenden Konzentrationen aufgetragen, um die Absorptions-/Konzentrationsliniendiagramme für alle Komponenten zu erhalten. Dieses Liniendiagramm kann auch bei jeder Wellenlänge erstellt werden, da der Absorptionsanteil gleich bleibt.

Die Liniendiagramme wurden extrapoliert, um die Absorptionswerte relativ zu den tatsächlichen Konzentrationen in der Lösung abzuschätzen, und diese Werte wurden in Gleichung (1) eingesetzt. (4) Um den Absorptionskoeffizienten für alle Komponenten bei einer Wellenlänge von 400 nm zu berechnen:

wobei A = Absorptionswerte aus dem Liniendiagramm, d = Pfadlänge = 0,1 cm (Dicke der Küvette).

Die Absorptionskoeffizienten wurden im Wellenlängenbereich von 300–800 nm berechnet und in Abb. 2d dargestellt. Sie zeigen die relative Absorptionsleistung von Curcumin, Irgacure und PANI in der Vorläuferlösung. Dieser Konkurrenzkampf zwischen den einzelnen Komponenten um die Lichtabsorption ermöglichte es uns, ihre optimale Konzentration in der Endlösung zu finden. Beispielsweise sollte (i) die Konzentration von Irgacure hoch genug sein, um freie Radikale zur Vernetzung der Lösung zu erzeugen, (ii) die Konzentration von Curcumin sollte ausreichend sein, um zu verhindern, dass Licht tief in die Lösung eindringt, aber gleichzeitig sollte die Konzentration so niedrig wie möglich sein Um die Erzeugung freier Radikale zu ermöglichen, ohne viel Lichtenergie zu absorbieren, sollte (iii) PANI auch nicht den Großteil des einfallenden Lichts absorbieren, aber es sollte ausreichen, um der hochinerten PEGDA-Matrix elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. In unserem speziell angefertigten Projektions-Mikrostereolithographie-Aufbau fand die Photopolymerisationsreaktion im Bereich von 400–450 nm statt, der als „sichtbarer Bereich für die Photopolymerisationsreaktion“ bezeichnet wird. Außerhalb dieses Bereichs absorbiert Irgacure kein Licht und erzeugt freie Radikale für die Vernetzung, wie in Abb. 2 (unten rechts) dargestellt. Im Allgemeinen absorbiert Curcumin im Vergleich zu Irgacure bei gleicher Konzentration Licht stärker. Daher wurde die Konzentration in der Endlösung im Vergleich zur Konzentration von Irgacure (1,83 %) deutlich niedriger gehalten (0,016 %).

Die Ausrichtung der Myofasern ändert sich in verschiedenen Winkeln über die Dicke des Myokards (Abb. 3a). Myofasern rotieren von + 70° bis + 50° im subepikardialen Bereich, auf 0° in der Mittelwand und von – 50° bis – 70° im subendokardialen Bereich26. Um diese vielseitige Bioarchitektur nachzuahmen, wurden die Stränge in jeder gedruckten Schicht entlang dieser Winkel ausgerichtet, wie in Abb. 3b gezeigt. Durch die Übereinanderlagerung dieser 2D-Schichten entstand ein 3D-Gerüst. Abbildung 3c–f zeigt die optischen Bilder der 3D-gedruckten Gerüste. In dieser Studie wird der Abstand zwischen zwei Strängen als „Porengröße“ gemäß der Porengrößenklassifizierung im Einklang mit dem internationalen Präfixsystem27 angegeben. Nichtleitende PEGDA-Gerüste hatten einen durchschnittlichen Strangdurchmesser von 345 ± 6 µm und eine Porengröße von etwa 292 ± 13 µm, gemessen mit der ImageJ-Software. Die leitfähigen Gerüste hatten einen durchschnittlichen Strangdurchmesser von 370 ± 10 µm und eine durchschnittliche Porengröße von 300 ± 15 µm. Die homogene Verteilung der PANI-Phase im Inneren der Gerüste verlieh ihnen die charakteristische dunkle Farbe (Abb. 3g) und verlieh der hochinerten PEGDA-Matrix halbleitende Eigenschaften. Der elektrische Strom kann über den Elektronensprungmechanismus durch die PANI-Ketten fließen, d. h. bei elektrischer Stimulation können die freien Elektronen von einem Polaron/Bipolaron (das dem dotierten PANI eigen ist) zu einem anderen springen. Einzelheiten zum Leitfähigkeitsmechanismus finden sich an anderer Stelle28.

Struktur und Morphologie der gedruckten Gerüste. (a) Im Myokard sind die Myofasern hierarchisch in verschiedenen Winkeln ausgerichtet. (b) Verschiedene Schichten, die entlang dieser Winkel ausgerichtet waren, wurden übereinander gestapelt, um ein 3D-Gerüst zu erhalten, das diese Struktur nachahmt. (c) Nichtleitendes PEGDA-Gerüst bei 5X und (d) bei 10X, (e) leitfähiges Gerüst (0,3 % PANI) bei 5X und (f) bei 10X. (g) Gerüste mit unterschiedlichen PANI-Konzentrationen. Abbildung 3A wurde mit Servier Medical Art unter der CC-BY 3.0-Lizenz erstellt.

Curcumin wurde in diesem 3D-Druckverfahren als Flüssigkeitsfilter verwendet. Es verhindert, dass Licht tief in die Lösung eindringt und die unteren gedruckten Schichten erreicht, und stellt sicher, dass nur die Oberseite der Lösung genügend Lichtenergie erhält, damit die Fotopolymerisationsreaktion stattfinden kann. In Abwesenheit von Curcumin drang das Licht tief in die Lösung ein und erzeugte Gerüste mit geschlossenen Poren und schlechter Morphologie, wie in Abb. 4 dargestellt.

Rolle von Curcumin in unserem maßgeschneiderten 3D-Druck-Setup. Das Gerüst zeigte eine gut definierte Morphologie und offene Poren mit Curcumin in der Vorläuferlösung (links, 5X). In Abwesenheit von Curcumin diffundierten die Schichten ineinander, was zu einer schlechten Gerüstmorphologie und geschlossenen Poren führte (rechts, 5X). Aufgrund des darin enthaltenen Curcumins kann zwischen den Gerüsten eine charakteristische gelbe Farbe unterschieden werden (oben links).

Zur Beurteilung der Morphologie der gedruckten Gerüste wurde eine Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Wie in Abb. 5a – c zu sehen ist, hatten die erhaltenen nichtleitenden Gerüste aufgrund der optischen Transparenz der Lösung in Abwesenheit von PANI in der Vorläuferlösung eine genau definierte Geometrie und Porengröße. Umgekehrt machte die PANI-haltige Lösung das Drucken komplexer, da PANI auch anfängt, das einfallende Licht zu absorbieren, wie in Abb. 2 (unten rechts) gezeigt. Dies machte die Photopolymerisationsreaktion abhängig von der PANI-Konzentration bis zu einem gewissen Grad ineffizient und die resultierenden Gerüste hatten eine etwas raue Geometrie mit einer unregelmäßigen Porengröße, wie in Abb. 5d – f dargestellt. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Lösung für längere Zeiträume pro Abdruck belichtet, wie in Tabelle 1 gezeigt. Über einer PANI-Konzentration von 2,0 % hinaus war der Druck eines Gerüsts mit genau definierten geometrischen Merkmalen eine ziemliche Herausforderung. Dies kann mit der Tatsache zusammenhängen, dass der Absorptionskoeffizient (α) von PANI bei diesen Konzentrationen hoch genug war, um die Lichtabsorptionsfähigkeit anderer Komponenten zu übertreffen, die die Vernetzung der Lösung erschwerten. Aus diesem Grund wurden bei dieser Konzentration keine freien Radikale erzeugt, die die Lösung vernetzen würden. Darüber hinaus wurde die Lösung bei PANI-Konzentrationen von 2,5 % und 3,0 % zu viskos, um damit arbeiten zu können. Selbst nach mehr als 20 Sekunden Belichtung pro Abformung wurde nie ein klar definiertes Gerüst mit der richtigen Morphologie und Porengröße erreicht. Bei diesen Konzentrationen wurde nur eine feste Scheibe erhalten, die mithilfe der Elektronenmikroskopie (siehe Abb. 5g – h) und anderen Techniken weiter charakterisiert wurde.

Morphologie der gedruckten Gerüste. (a) Matrix aus PEGDA ohne PANI, (b) nicht leitendes PEGDA-Gerüst bei 60X und (c) bei 150X, (d) 2 % PANI eingebettet in die PEGDA-Matrix, (e) leitfähiges Gerüst mit 2 % PANI bei 50X und (f) bei 100-facher Vergrößerung, (g) die faltige Morphologie zeigt die homogene Verteilung von 3 % PANI in der PEGDA-Matrix bei 100-facher Vergrößerung und (h) bei 200-facher Vergrößerung.

Die hierarchische Morphologie des Gerüsts wurde auch mithilfe einer tiefergehenden SEM-Analyse bewertet. Abbildung 6a – c entspricht PEGDA-Gerüsten ohne PANI, während in Abb. 6d – f das PEGDA-PANI-Gerüst 2,0 % PANI aufweist. Es ist zu erkennen, dass sich die Stränge in unterschiedlichen Winkeln drehen, was durch den Kreis in Abb. 6a angezeigt wird. Ein stärker vergrößertes Bild (Abb. 6b) zeigt die Rotation verschiedener Stränge tief im Gerüst, angezeigt durch Zahlen, die den Schichtnummern in Abb. 3b entsprechen. Die Querschnittsansicht der Gerüste ist in Abb. 6c,f zu sehen, in der die Stränge in die Papierebene wandern. In diesen Abbildungen ist zu erkennen, dass die Stränge übereinander abgelegt und dabei in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet wurden, was die hierarchische Morphologie der Gerüste bestätigt. Die maximale PANI-Konzentration, bei der mit unserem speziell angefertigten PμSL-Drucker gedruckt werden konnte, betrug 2,0 %. Aus diesem Grund sind in Abb. 6f viele PANI-Partikel zu sehen, ebenso wie diese Partikel in Abb. 5d eingebettet in die PEGDA-Matrix zu sehen sind. Im Gegensatz dazu hatte ein Gerüst ohne PANI eine genau definierte Morphologie, wie in Abb. 6c, 5b und 5c dargestellt.

Hierarchische Morphologie der gedruckten Gerüste. (a) PEGDA-Gerüst bei 44X, während der Kreis die Drehung der Stränge tief im Gerüst anzeigt, und (b) PEGDA-Gerüst bei 133X, während die Zahlen Schicht 1 oben und die nachfolgenden Schichten tief im Gerüst anzeigen, die sich in bestimmten Winkeln drehen, (c) kreuzen -Schnitt des bei 107X, (d) PEGDA-Gerüsts mit 2,0 % PANI bei 44X und (e) bei 133X, (f) Querschnitt bei 67X, der verschiedene Schichten darstellt, die während des 3D-Drucks übereinander abgeschieden wurden.

PANI existiert in drei Redoxzuständen: vollständig reduziertes Leukoemeraldin, teilweise oxidiertes Emeraldin und vollständig oxidiertes Pernigranilin29. Diese Strukturen können entweder in einer sauren oder basischen Umgebung protoniert oder deprotoniert werden. Ohne Protonierung werden diese Formen als „Base“ bezeichnet, beispielsweise als Emeraldinbase. Nach der Protonierung werden sie als „Salz“ bezeichnet, beispielsweise als Emeraldinsalz. Smaragdsalz ist die einzige elektrisch leitende Form von PANI. Infrarotspektroskopie lieferte Informationen über die Oxidationsstufen von PANI-Ketten. Die Analyse des Schwingungsspektrums wies auf die protonierte Emeraldinform von PANI hin, die während des Syntheseprozesses entsteht (Abb. 7).

FTIR-ATR-Spektrum der leitfähigen Form (Smaragdsalz) von PANI (blau), PANI eingebettet in PEGDA (rot) und PEGDA (schwarz).

Insbesondere in den Spektren von PANI und PEGDA-PANI-Komposit (blaue bzw. rote Linie) können wir die Peaks bei 809 und 1569 cm−1 beobachten, die den C-H-Biegeschwingungsmodus des Benzolrings und des C darstellen =C-Streckung des Chinoidrings30,31. Während der Peak bei 1226 cm-1 im PANI-Spektrum auf 1190 cm-1 im PEGDA-PANI verschoben ist, kann er dem C-N-Streckschwingungsmodus in der Benzoloidgruppe zugeschrieben werden32. Diese charakteristischen Signale bestätigen die erfolgreiche Synthese des PANI in der leitfähigen Form, dh dem Emeraldinsalz. Die charakteristischen PEGDA-Peaks finden sich bei 1095, 1723 und 2868 cm-1 sowohl im PEGDA- als auch im PEGDA-PANI-Spektrum (schwarze bzw. rote Linie). Diese Signale können jeweils der Streckschwingung von –C–O–C–, –CH und –C=O des PEGDA-Rückgrats zugeschrieben werden33.

Die Zwei-Sonden-Technik wurde verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit gedruckter Gerüste zu messen. In Tabelle 2 sind die für die PEGDA-PANI-Gerüste erhaltenen Werte im Vergleich zu denen von murinem Myokardgewebe und dem inerten PEGDA-Gerüst aufgeführt. Es ist festzuhalten, dass sich PEGDA durch eine für Kunststoffisolatoren typische Leitfähigkeit im Bereich von 10–9 S/m auszeichnet. Allerdings erhöhte die Einführung von PANI in dieses inerte Gerüst die Leitfähigkeit um das 103-fache auf ~ 10–6 S/m und verlieh so ein halbleitendes Verhalten. Dieser Wert ist vergleichbar mit denen, die für PEGDA-PANI-Materialien mit der gleichen Füllstoffmenge erhalten werden34. Die Verbesserung der Leitfähigkeitseigenschaften folgt dem Anstieg der PANI-Konzentration, was darauf hindeutet, dass eine effizientere Ladungsübertragung zwischen PANI-Ketten durch die Bildung eines homogenen Leitnetzwerks innerhalb der PEGDA-Matrix erreicht wurde. Unterhalb von 0,9 % PANI-Gehalt wurde keine elektrische Reaktion festgestellt. Dies könnte auf einen Mangel an leitfähigen Massennetzwerken zwischen den Polymerketten zurückzuführen sein.

Messungen der zyklischen Voltammetrie (CV) wurden durchgeführt, um die elektrochemische Aktivität der hergestellten Gerüste zu testen. Die Analyse wurde in 0,1 M HCl-Lösung durchgeführt und die Daten wurden mit unterschiedlichen Scan-Raten erfasst. Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass die CV-Kurven breite anodische (Ea) und kathodische (Ec) Spitzen bei etwa + 0,74 V bzw. + 0,66 V aufweisen. Dieses Redoxpaar kann mit dem Übergang von der semioxidierten PANI-Form von Emeraldin zur vollständig oxidierten Pernigranilinform und umgekehrt in Zusammenhang gebracht werden36,37. Das Vorhandensein eines solchen elektrochemischen Merkmals weist auf die chemische Reversibilität der Redoxprozesse hin. Darüber hinaus wurde ein Anstieg der Stromdichte mit zunehmender PANI-Konzentration in der PEGDA-Matrix beobachtet, entsprechend den Ergebnissen für das elektrische Verhalten. Es ist interessant festzustellen, dass die Gerüste mit 0,3 % und 0,6 % PANI in der Lage sind, auf die elektrische Stimulation während der Durchführung des CV zu reagieren, während es nicht möglich ist, ihre Leitfähigkeitswerte mit der Zwei-Sonden-Methode zu messen. Diese Ergebnisse könnten geklärt werden, wenn man bedenkt, dass die elektrochemischen Prozesse nicht nur einen Elektronentransfer, sondern auch eine Ionendiffusion zwischen dem Polymer und der Elektrolytlösung beinhalten.

Zyklische Voltammogramme leitfähiger Gerüste bei verschiedenen Scanraten von (a) 0,3 % PANI, (b) 0,6 % PANI, (c) 0,9 % PANI und (d) 1,5 % PANI.

Wie in Abb. 8 zu sehen ist, wurde ein Anstieg der Stromdichte mit einer Abtastrate im Bereich von 10 bis 80 mV/s festgestellt. Während die anodischen Peaks (EA) ihre Position behalten, werden die kathodischen (EC) leicht in Richtung niedrigeres Potential verschoben. Dieses Merkmal kann mit der teilweisen elektrochemischen Irreversibilität der Kettenreduktion in Verbindung gebracht werden, die wahrscheinlich auf eine komplexe Kinetik des Prozesses zurückzuführen ist. Es könnte auch an einigen chemischen/strukturellen Veränderungen liegen, die mit dem Elektronentransfer einhergehen22. Kurz gesagt, die Analyse der elektrochemischen Untersuchungen verdeutlichte die Elektroaktivität und die Fähigkeit des PANI-Einschlusses, die Ionenkonzentration in der Hydrogel-PEGDA-Matrix zu modulieren. Auf diese Weise kann diese Funktion in mehreren biomedizinischen Bereichen effizient genutzt werden, um Geräte/Gerüste herzustellen, die die elektrische Natur biologischer Systeme nachahmen.

Der Quellungsgrad wurde durch 24-stündiges Eintauchen der Gerüste in 1X PBS bei 37 °C gemessen. Wie in Abb. 9 dargestellt, ist der maximale Quellungsgrad der Gerüste (≤ 60 %) im Vergleich zu typischen Hydrogelen, die normalerweise ein abruptes Quellverhalten zeigen, nicht ausgeprägt. Die kultivierten Zellen, die plötzlich expandierenden Umgebungen ausgesetzt sind, können aufgrund der hohen Spannungen, die im expandierenden Hydrogelnetzwerk erzeugt werden, häufig Apoptose auslösen38. In unserem Fall zeigten alle Gerüste ein einigermaßen gleichmäßiges Quellverhalten und erreichten ihre Grenze innerhalb von 30 Minuten nach dem Eintauchen in das PBS. Das Vorhandensein von PANI in der PEGDA-Matrix verringerte das Ausmaß der Schwellung unabhängig von seiner Konzentration. Dies kann auf eine wahrscheinlich höhere Steifigkeit des Verbundmaterials im Vergleich zu einem reinen PEGDA-Hydrogelgerüst zurückzuführen sein.

Quellungsgrad von 3D-gedruckten Gerüsten mit unterschiedlichen PANI-Konzentrationen.

Der Abbau der gedruckten Gerüste wurde untersucht, indem die Gerüste 4 Wochen lang in 1X PBS bei 37 °C getaucht wurden, da bekannt ist, dass die Esterbindungen (–O–C=O), die normalerweise während der radikalischen Vernetzung der PEGDA-Hydrogele gebildet werden, entstehen anfällig für Hydrolysereaktionen39.

Wie wir in Abb. 10 sehen können, besteht bei niedrigen Konzentrationen innerhalb des experimentellen Fehlers keine signifikante Korrelation zwischen dem Abbauprozess und dem Vorhandensein von PANI in der PEGDA-Matrix. Bei 2 % PANI-Einschluss ist ein gleichmäßigerer Abbau zu verzeichnen, der nach vier Wochen einen Massenverlust von 15 % erreicht. Dies kann mit einer geringeren PEGDA-Vernetzung in Verbindung gebracht werden, die vermutlich durch das höhere Vorhandensein von PANI in dieser Probe verursacht wird.

Hydrolytisches Abbauprofil von 3D-gedruckten Gerüsten mit unterschiedlichen PANI-Konzentrationen.

Die Lebensfähigkeit von kardialen Vorläuferzellen der Maus (mCPCs) wurde durch den Trypanblau-Assay nach 5-tägiger Inkubation bewertet, wie in Abb. 11 gezeigt. Die Kontrollgruppe für dieses Experiment war die Zellsuspension, die in verschiedene Vertiefungen einer Platte mit 24 Vertiefungen gegeben wurde Gerüst in den Brunnen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gerüste im Vergleich zur Kontrollgruppe keine tiefgreifenden zytotoxischen Wirkungen hervorriefen, die das Zellwachstum behinderten. Tatsächlich zeigten alle Gerüste eine gute Biokompatibilität und die Lebensfähigkeit unterschied sich nicht wesentlich von der Kontrollgruppe. Allerdings schien die elektrische Beschaffenheit der leitfähigen Gerüste die Lebensfähigkeit im Vergleich zu nichtleitenden Gerüsten zu verbessern, obwohl die Ergebnisse statistisch nicht signifikant waren, da die mittlere Lebensfähigkeit aller Gruppen gleich zu sein scheint (P = 0,23 zwischen den Gruppen, einseitig). ANOVA). Die leitfähigen Gerüste könnten aufgrund ihrer elektrischen Beschaffenheit zu einer besseren interzellulären Kommunikation und damit zu einer Verbesserung der relativen Lebensfähigkeit geführt haben, eine Eigenschaft der leitfähigen Gerüste, die in früheren Studien beobachtet wurde40,41,42. Dies könnte auch ein Grund für das Vorhandensein einer statistischen Signifikanz (über t-Test) zwischen der Kontrolle und den PANI-Gerüsten mit hoher Konzentration sein, während Gerüste mit niedriger PANI-Konzentration oder reinen PEGDA-Gerüsten aufgrund der fehlenden interzellulären Kommunikation keine statistische Signifikanz ergaben. Diese Beobachtungen zeigen, dass PEGDA-PANI-Gerüste eine bessere Alternative zu herkömmlichen nichtleitenden Gerüsten sein könnten, wenn es um die Regeneration von hochleitfähigem Gewebe geht.

Lebensfähigkeit der kardialen Vorläuferzellen (mCPCs) der Maus auf den gedruckten Gerüsten (n = 6). Auf der linken Seite zeigen die repräsentativen mikroskopischen Aufnahmen mCPCs, die mit (A) DAPI (Kerne in blau), (B) F-Actin (rot) und (C) ihrer Verschmelzung gefärbt sind. Oben rechts wurde die Lebensfähigkeit der Zellen mittels Trypanblau-Assay nach 5 Tagen Kultur beurteilt. Balken stellen die Lebensfähigkeit der Zellen im Verhältnis zum Prozentsatz der Kontrolle dar. Die Daten werden im Mittelwert ± Standardabweichung der dreifachen Experimente dargestellt. Es wurde ein zweiseitiger t-Test mit gleicher Varianz durchgeführt, um die statistische Signifikanz (*P < 0,05) zwischen der Kontrollgruppe (Zellsuspension) und den anderen Gruppen (Zellsuspension + Gerüst) herauszufinden, während eine einfache ANOVA zwischen den Gruppen zu einer statistischen Insignifikanz führte Ergebnisse (P = 0,23), die zeigen, dass die mittlere Lebensfähigkeit in allen Gruppen gleich war, wie anhand der im Balkendiagramm angegebenen Werte beobachtet werden kann.

Der heilige Gral des Tissue Engineering bestand schon immer darin, die charakteristischen Merkmale des zu entwickelnden Gewebes genau nachzuahmen. Zu diesen Merkmalen gehören unter anderem die Bioarchitektur des Gewebes, die Elastizität/Steifheit, die biologische Abbaubarkeit und die Biokompatibilität. Eine wichtige Rolle bei diesem Unterfangen spielt das Gerüst, eine Polymerstruktur, die das Zellwachstum und die Zelldifferenzierung unterstützen und gleichzeitig die ECM-Struktur und -Funktion nachahmen soll. Bedeutende Fortschritte beim Gerüstdesign wurden erzielt, als relativ einfache Organe wie Blutgefäße, Haut, Blase und Knorpel konstruiert wurden43,44,45,46,47. Myokard hingegen ist aufgrund seiner 3D-Anisotropie, verwirrenden biomechanischen Eigenschaften und komplizierten Mikro-/Nano-Bioarchitektur sehr schwierig zu konstruieren.

Bisher wurden Herzgerüste aus biologisch inerten Materialien hergestellt, um lediglich das Zellwachstum zu unterstützen. Stattdessen handelt es sich bei der Myokard-ECM, dem natürlichen Gerüst des Myokards, um ein Gerüstmaterial, das von den Fibroblasten produziert wird und aus einer geleeartigen Substanz (Matrix) und Fasern unterschiedlicher Länge und Steifheit besteht, und das Zellschicksal steuern kann. Ruhende Fibroblasten verteilen sich dynamisch im Myokard, während pathologische Störungen ihre Aktivierung zu Myofibroblasten auslösen, wodurch die ECM-Zusammensetzung und -Akkumulation und damit die Myokardfunktion beeinträchtigt werden48. Das ECM liefert biologische (Wachstumsfaktoren, Zytokine, Hormone usw.) und physikalische Signale (wie mechanostrukturelle Faktoren, Steifheit, Nanorauheit, Mikroporosität usw.), die zusammenwirken, um das Schicksal der Herzzellen zu modulieren. Neben biologischen Signalen wurde bisher besonderes Augenmerk auf die Entschlüsselung gelegt, wie Zellen mechanische Reize in intrazelluläre Signale umwandeln, während sich nur wenige Studien auf den Mechanismus der Zelle zur Wahrnehmung elektrischer Signale (Elektrosensorik) konzentrierten.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass bioinstruktive Materialien, die sowohl mit bioelektrischen als auch topografischen Hinweisen ausgestattet sind, einen vielversprechenden Ansatz zur Regeneration stark anisotroper Gewebe wie Skelettmuskeln darstellen. In49 wurde festgestellt, dass die Ausrichtung der Nanofasern und die PANI-Konzentration in elektrogesponnenen Polycaprolacton-Gerüsten die Bildung von Myotubes in Myoblasten induzieren, was die synergistischen Effekte elektrischer und topografischer Signale bestätigt. Die genauen Mechanismen, durch die elektrisch leitende Materialien Zellen steuern, müssen jedoch noch verstanden werden. Andere Studien50,51,52,53,54 haben die Wirksamkeit elektrisch leitender Gerüste nachgewiesen, es wurden jedoch bisher keine schlüssigen Beweise für die Rolle ihrer elektrischen Leitfähigkeit vorgelegt. Tatsächlich wurden elektrische Signale, die schwächer als das Aktionspotential sind, mit der Multielektroden-Array-Technologie extrazellulär erfasst55,56,57,58,59, aber sehr wahrscheinlich reicht ihre Wirkung allein nicht aus, um das Schicksal der Zelle zu bestimmen. Die vorteilhaften Wirkungen elektrisch leitender Konstrukte wurden auch bei der Implantation an der Verletzungsstelle in Ratten-MI-Modellen beobachtet60,61,62,63. Dennoch zielten diese Studien hauptsächlich darauf ab, die Eigenschaften des reifen Myokards zu wiederholen, um die durch die Narben nach dem Infarkt entstandene Leitfähigkeitslücke zu schließen, wobei das Ziel lediglich darin bestand, eine Führung für den elektrischen Impuls wiederherzustellen, der die Myokardkontraktion steuert. Eine innovative Idee könnte darin bestehen, ein System zur Identifizierung und Charakterisierung von Mikroströmen zu entwickeln, die möglicherweise nicht an der Kontraktion beteiligt, aber (zusammen mit anderen physikalischen und biologischen Signalen) für die Zell-Zell-Kommunikation relevant sind, um das Zellschicksal zu bestimmen. In diesem Zusammenhang haben wir eine vorläufige technische Studie zur Entwicklung elektrisch leitender Gerüste zur Untersuchung der Elektrosensorik unreifer Herzzellen vorgeschlagen. Die Optimierung des hochauflösenden Mikrostereolithographieprozesses hat uns dazu geführt, elektrisch leitende 3D-gedruckte PEGDA-PANI-Systeme zu erhalten. Verschiedene Konzentrationen von PANI ermöglichen die Modulation der Elektroaktivität und Elektroleitfähigkeit in einer Weise, dass die elektrischen und mechanisch-räumlichen Signale gegenseitig abgestimmt werden können, um Reize an unreife Zellen zu liefern. Diese Erfolge sind von entscheidender Bedeutung, um das Schicksal der Zellen zu bestimmen und ihren endgültigen Phänotyp aufrechtzuerhalten. In dieser Hinsicht zeigen die durchgeführten Zelllebensfähigkeitstests, dass PEGDA-PANI-Materialien keine schwerwiegenden zytotoxischen Wirkungen hervorrufen, und bestätigen ihre Gültigkeit als Gerüste für ein tiefergehendes Verständnis der biologischen und physikalischen Signale, die die Zellentwicklung steuern.

Die Projektions-Mikrostereolithographie erwies sich als nützliches Werkzeug zur Nachahmung der quergestreiften Bioarchitektur des Herzgewebes. Auch wenn Gerüste halbleitend sind, haben sie ihre biologische Wirksamkeit gezeigt, wenn sie mit Herz-Vorläuferzellen von Mäusen kultiviert wurden. Es zeigt, dass die halbleitenden Gerüste im Referenzrahmen unreifer Herzstammzellen die interzelluläre Kommunikation und Synchronisation sich entwickelnder/unreifer Zellen verbessern können.

Tatsächlich ist die Entwicklung von Gerüsten mit der gleichen elektrischen Leitfähigkeit wie das Myokard (0,16 S/m) äußerst wünschenswert, um künstliches Herzgewebe herzustellen und letztendlich die verlorenen elektrischen Funktionen des verletzten Herzens wiederherzustellen. Allerdings ist es immer noch eine Herausforderung, solche Konstrukte mit der aktuellen Technologie zu entwickeln. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass elektrisch leitfähige Gerüste im Vergleich zu nicht leitfähigen Gerüsten bessere Plattformen für die Entwicklung hochleitfähiger biologischer Gewebe bieten könnten. Es müssen jedoch neue Alternativen zu leitenden Polymeren gefunden werden, die biologisch abbaubar sind und hohe elektrische Eigenschaften aufweisen können, um die derzeitigen leitenden Gerüste von Halbleitern zu guten/starken Leitern zu machen.

Die Autoren erklären, dass die relevanten Datensätze, die diese Studie unterstützen, in diesem Artikel angegeben sind. Die Rohdatensätze, die verschiedene Ergebnisse unterstützen, können jedoch beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Fabio de Matteis

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Konzeptualisierung: AUH, LM, ET, FDM, FC, PDN; Optimierung der Druckparameter: AUH; Untersuchung: AUH, LM, FP, FC; Datenkuration und -interpretation: AUH, LM, FP; Überwachung und Validierung: ET, FDM, FC, PDN; Vorbereitung des schriftlichen Originalentwurfs: AUH, LM, FP, ET; Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten: ET, FDM, FC, FT, PDN Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Paolo DiNardo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ul Haq, A., Montaina, L., Pescosolido, F. et al. Elektrisch leitfähige Gerüste, die die hierarchische Struktur kardialer Muskelfasern nachahmen. Sci Rep 13, 2863 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29780-w

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Eingegangen: 06. Oktober 2022

Angenommen: 10. Februar 2023

Veröffentlicht: 17. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29780-w

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