[논문 리뷰] Piezoelectric Drop-on-Demand Inkjet Printing of Rat Fibroblast Cells: Survivability Study and Pattern Printing

Er Qiang Li, Eng Khoon Tan외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 02.

3D Printing in Biomedical Research참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 L929 대식세포를 인쇄하기 위해 맞춤형 압전 드롭온디맨드 잉크젯 시스템을 개발하여 노즐 지름과 방울 속도가 세포 생존에 미치는 영향을 조사하였다. 주요 발견은 36 µm 노즐 및 16 m/s 속도에서 분사 과정 중의 비틀림 응력으로 인해 생존율이 95%에서 76%로 감소하는 것으로, 더 큰 노즐에서는 생존율 유지가 가능하며, 인쇄된 세포는 콜라겐 기질에 5일간 부착되어 증식하는 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어된 비틀림 응력 하에서 세포 생존율을 연구하기 위해 가변 구멍 지름을 가진 맞춤형 압전 드롭온디맨드 잉크젯 시스템을 개발한다.
• 드롭 속도와 노즐 지름이 압전 잉크젯 인쇄 중 L929 대식세포의 생존율에 미치는 영향을 조사한다.
• 알기네이트 및 콜라겐 기질에 인쇄한 후 장기적인 세포 생존율, 부착 및 증식을 평가한다.
• 균일한 세포 공급과 빈 방울을 방지하기 위해 한 방울당 세포 수를 정량화하여 인쇄 최적화를 위한 기초 자료를 확보한다.
• 특히 막히기 쉬운 작은 구멍에서 세포 생존율과 인쇄 신뢰성에 영향을 주는 핵심 매개변수를 규명한다.

제안 방법

• 36, 81, 119 µm의 지름을 가진 교환 가능한 유리 노즐을 갖춘 맞춤형 압전 프린팅 헤드를 설계하였다.
• 드롭 분사 제어를 위해 JetDrive™ III 컨트롤러를 사용하여 52–140 V의 변동 전압 펄스를 적용하여 드롭 속도(2–16 m/s)를 정밀하게 조절하였다.
• 세포 생존율 평가에는 캘세인 AM(초록, 생존)과 에티디움 호모디머-1(빨강, 사망)을 사용한 라이브/데드 분석을 실시하였으며, 형광 현미경을 통해 정량화하였다.
• 세포는 1.0% 알기네이트 필름(100 µm 두께)과 0.3% 콜라겐 젤(2 mm 두께)에 인쇄하였으며, 탈수 방지를 위해 1시간 후 배지 교체를 실시하였다.
• 드롭 형성 중의 비틀림률은 드롭 속도와 노즐 기하학적 구조에서 유도하여 생존율과 상관관계를 분석하였다.
• 한 방울당 세포 수는 이항분포를 사용하여 모델링하여 균일성 평가 및 잉크 내 세포 농도 최적화를 도모하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 36–119 µm 범위의 노즐 지름이 압전 잉크젯 인쇄 중 L929 대식세포의 생존율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 2–16 m/s 범위의 드롭 분사 속도와 세포 생존율 간의 관계는 무엇이며, 특히 높은 비틀림 응력 조건에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 드롭 형성 중의 비틀림 응력은 관찰된 세포 사망률과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 인쇄된 L929 대식세포는 5일간의 배양 기간 동안 콜라겐 및 알기네이트 기질에 부착, 확산 및 증식이 잘 이루어지는가?
• RQ5 한 방울당 세포 수의 확률 분포는 무엇이며, 이는 잉크의 균일성과 세포 농도와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 36 µm 노즐에서 드롭 속도가 2에서 16 m/s로 증가함에 따라 세포 생존율이 95%에서 약 76%로 감소하여, 비틀림 응력에 의한 손상이 뚜렷하게 나타났다.
• 더 큰 노즐(81 µm 및 119 µm)에서는 속도 증가에 따른 생존율 감소가 덜 두드러져, 더 낮은 비틀림 응력 노출을 의미한다.
• 드롭 형성 중 평균 비틀림률과 세포 생존율 사이에 명백한 반비례 관계가 관찰되어, 비틀림 응력이 세포 사망의 주요 원인임을 확인하였다.
• 콜라겐 기질에 인쇄된 대식세포는 부착, 확산 및 증식이 잘 이루어져 5일 배양 후 더 두꺼운 패턴을 형성하였다.
• 세포 응집으로 인해 노즐 막힘이 빈번히 발생하였으며, 특히 36 µm 노즐에서 심해져 인쇄 신뢰성이 저하되었다.
• 한 방울당 세포 수는 이항분포를 따르며, 이는 잉크 내 및 프린팅 헤드 내에서 세포 분포가 균일하다는 것을 뒷받침한다.