[論文レビュー] Piezoelectric Drop-on-Demand Inkjet Printing of Rat Fibroblast Cells: Survivability Study and Pattern Printing

Er Qiang Li, Eng Khoon Tan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

3D Printing in Biomedical Research参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、L929ラット線維芽細胞をプリントするためのカスタム圧電ドロップ・オン・デマンドインクジェットシステムを開発し、ノズル径とドロップ速度が細胞生存率に与える影響を調査した。主な発見では、36 µmのノズルと16 m/sの速度でドロップを放出した場合、剪断応力により生存率が95%から76%に低下したが、より大きなノズルでは高い生存率が維持された。また、コラーゲン基板上ではプリント後の細胞が5日間で適切に接着し、増殖した。

ABSTRACT

A novel piezoelectric, drop-on-demand (DOD) inkjet system has been developed and used to print L929 rat fibroblast cells. We investigate the survivability of the cells subjected to the large stresses during the printing process. These stresses are varied by changing the diameter of the orifice (36 to 119 microns) through which the cells are dispensed, as well as changing the electrical pulse used to drive the piezoelectric element. It is shown that for the smallest 36 microns diameter orifice, cell survival rates fall from 95% to approximately 76% when the ejection velocity is increased from 2 to 16 m/s. This decrease in survival rates is less significant when the larger orifice diameters of 81 microns and 119 microns are used. Analysis shows that there is a clear inverse relationship between cell survival rates and the mean shear rates during drop formation. By using the same printing set-up, fibroblast cells are printed onto alginate and collagen into patterns. Printed cells are cultured over a period of days to verify their long-term viability. Fibroblasts printed onto the collagen are found to successfully adhere, spread and proliferate, subsequently forming a denser patterns after 5 days in culture. Cell agglomeration is found to affect the printing performance, especially for the printhead with the smallest orifice, leading to frequent clogging of the nozzle. We also study the number of cells in each droplet, when printed under optimal conditions. The probability density of this number follows a binomial distribution, which consistent with a uniform distribution of cells in the medium and within the printhead.

研究の動機と目的

• 制御された剪断応力下での細胞生存率を調査できる、可変オーライフィス径を備えたカスタム圧電ドロップ・オン・デマンドインクジェットシステムの開発を目的とする。
• ドロップ速度とノズル径が圧電インクジェットプリント中のL929ラット線維芽細胞の生存率に与える影響を調査すること。
• アルギン酸およびコラーゲン基板上にプリントした後の長期的な細胞生存率、接着性、増殖を評価すること。
• 1ドロップあたりの細胞数を定量し、均一な細胞供給を最適化し、細胞を含まないドロップを回避すること。
• 特に詰まりを起こしやすい小さなオーライフィスにおいて、細胞生存率とプリント信頼性に影響を与える重要なパラメータを同定すること。

提案手法

• 交換可能なガラスノズル（36、81、119 µm）を備えた、カスタム設計のスイーブモード圧電プリンターヘッドを採用した。
• ドロップ放出は、JetDrive™ IIIコントローラーからの可変電圧パルス（52–140 V）により制御され、ドロップ速度（2–16 m/s）を正確に調整可能となった。
• 生存率は、カルシエイン AM（緑、生存）とエチジウムホモジマー-1（赤、死滅）を用いたライブ/デッドアッセイにより評価し、蛍光顕微鏡を用いて定量した。
• 細胞は1.0%アルギン酸フィルム（100 µm 厚）および0.3%コラーゲンゲル（2 mm 厚）上にプリントした。1時間後に培地交換を行い、乾燥を防いだ。
• ドロップ形成中の剪断率は、ドロップ速度とオーライフィスの幾何学的形状から計算され、生存率と相関関係を確認した。
• 1ドロップあたりの細胞数は、均一なインクおよびプリンターヘッド内での細胞分布を想定し、二項分布でモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノズル径（36–119 µm）が、圧電インクジェットプリント中のL929ラット線維芽細胞の生存率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ドロップ放出速度（2–16 m/s）と細胞生存率の関係は何か、特に高い剪断応力下での状況においては？
• RQ3 ドロップ形成中の剪断応力と観察された細胞死率の相関関係は？
• RQ4 プリントされたL929線維芽細胞は、5日間の培養期間中にコラーゲンおよびアルギン酸基板上に適切に接着し、広がり、増殖することができるか？
• RQ5 1ドロップあたりの細胞数の確率分布は何か？また、インクの均一性および細胞濃度とどのように関連するか？

主な発見

• 36 µmのノズルでは、ドロップ速度が2から16 m/sに上昇したことで、細胞生存率が95%から約76%に低下した。これは、剪断応力に起因するダメージが顕著であることを示している。
• より大きなノズル（81 µmおよび119 µm）では、速度上昇に伴う生存率低下が顕著ではなく、剪断応力への曝露が低いことが示唆された。
• ドロップ形成中の平均剪断率と細胞生存率の間には明確な逆相関関係が観察され、剪断応力が細胞死の主な要因であることが確認された。
• コラーゲン基板上にプリントされた線維芽細胞は、適切に接着し、広がり、5日間の培養後により密度の高いパターンを形成した。
• 細胞の凝集が頻繁に発生し、特に36 µmノズルでノズルの詰まりを引き起こし、プリント信頼性が低下した。
• 1ドロップあたりの細胞数は二項分布に従い、インク内およびプリンターヘッド内での均一な細胞分布と整合的であった。