Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures
Cette étude établit un flux de travail complet intégrant la caractérisation rhéologique, la mécanique des fluides numérique et la validation expérimentale pour prédire et évaluer l'impact du stress de cisaillement sur la viabilité et la fonction de co-cultures endothéliales-épithéliales lors de la bio-impression par extrusion avec des hydrogels de GelMA.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez un futur où les médecins pourraient imprimer des tissus vivants pour réparer des organes endommagés ou remplacer de la peau perdue. Cette vision repose sur une technique appelée bio-impression, où les scientifiques utilisent des machines spécialisées pour extruder de minuscules flux de liquide contenant des cellules vivantes mélangées à un gel de soutien. L'objectif est de construire des structures qui imitent les tissus complexes du corps humain. Cependant, le processus d'extrusion de ce mélange à travers une buse étroite crée une force physique puissante connue sous le nom de contrainte de cisaillement. Imaginez cette force comme la pression ressentie lorsque l'on presse un tube de dentifrice ; plus vous pressez vite et fort, plus le contenu est frotté et étiré contre les parois du tube. Pour les cellules vivantes, qui sont délicates et fragiles, ce frottement peut être nocif, risquant de les tuer ou d'endommager leur capacité à fonctionner une fois la structure construite. Comprendre exactement quelle force ces cellules peuvent supporter est essentiel si les scientifiques espèrent créer des tissus vivants fiables.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de mesurer et de prédire comment cette force de pression affecte deux types différents de cellules humaines travaillant ensemble : des cellules de vaisseaux sanguins et des cellules de tissu mammaire. Pour ce faire, ils n'ont pas simplement imprimé les cellules en espérant que tout se passe bien. Au contraire, ils ont construit un système complet pour observer, calculer et tester ce qui se passe à l'intérieur de l'imprimante. D'abord, ils ont étudié la substance épaisse et gélatineuse utilisée pour maintenir les cellules, appelée méthacryloyle de gélatine. Ils ont testé ce matériau à deux concentrations et températures différentes pour voir comment il s'écoulait. Ils ont découvert que le comportement du matériau pouvait être décrit par des modèles mathématiques prédisant comment les liquides épais se déplacent, ce qui leur a permis de simuler le processus d'impression sur un ordinateur avant même de toucher une véritable cellule.
Pour s'assurer que leurs simulations informatiques étaient précises, les chercheurs ont utilisé une caméra haute vitesse pour observer de minuscules particules se déplaçant à l'intérieur du gel en mouvement, confirmant que les prédictions numériques correspondaient au mouvement réel. Avec ce modèle fiable en main, ils ont porté leur attention sur les cellules elles-mêmes. Ils ont imprimé un mélange des deux types de cellules dans le gel à différentes pressions et concentrations. Les résultats ont révélé une relation complexe entre les conditions d'impression et la santé des cellules. Lorsque les cellules étaient imprimées dans un gel plus faible à une température plus basse, les conséquences immédiates montraient une augmentation de la mort cellulaire. Curieusement, le gel plus fort présentait des niveaux de contrainte de cisaillement plus élevés par rapport au gel plus faible, pourtant il ne provoquait pas le même pic immédiat de cellules mourantes.
Cependant, l'histoire ne s'est pas arrêtée au moment où l'impression s'est terminée. Les chercheurs ont laissé les structures imprimées reposer pendant une journée pour voir comment les cellules récupéraient. Ils ont découvert que même de faibles niveaux de stress provenant du processus d'impression avaient un effet différé. À mesure que la pression utilisée pendant l'impression augmentait, le nombre de cellules mourantes augmentait après seulement un jour de culture. Cela suggère que les cellules sont sensibles aux forces physiques du processus d'impression de manières qui ne sont pas immédiatement évidentes. L'étude fournit une méthode solide pour prédire ces effets, montrant qu'en combinant la modélisation informatique avec une observation minutieuse, les scientifiques peuvent mieux comprendre les forces cachées qui façonnent l'avenir de l'impression de tissus vivants.
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