Drop-on-demand bioprinting of HUVECs and capillary-like networks via laser-induced side transfer

Abstract

La fabrication de tissus biologiques a été largement étudiée pour ses applications dans la recherche, la transplantation d'organes et le dépistage de drogues. Bien que des tissus minces ou avasculaires aient été fabriqués avec succès auparavant, le maintien de la viabilité des tissus épais nécessite la présence d'un réseau capillaire tout au long de la construction pour permettre l'apport de nutriments et l'élimination des déchets cellulaires par le sang. En plus des cellules endothéliales, l'incorporation de types de cellules de soutien dans le réseau capillaire est nécessaire pour favoriser la survie et la maturation. Comparée à d'autres méthodes de biofabrication, la bioimpression est une technologie prometteuse qui permet la fabrication précise de motifs 3D complexes à haute résolution spatiale.

Nous avons conçu de nouveau notre procédé technique de bio-impression laser nommé LIST (de l'anglais \textit{laser-induced side transfer}) dans laquelle la bioencre de la suspension cellulaire passe à travers un capillaire horizontal avec un orifice face à l'échafaudage. Lorsque le laser frappe la bioencre, une bulle se forme qui propulse une gouttelette à travers l'orifice. Nous avons mené une étude détaillée pour caractériser cette bio-impression technique et validé sa cytocompatibilité par l'évaluation de la viabilité de HUVECs imprimés grâce à LIST. Nous avons incorporé des fibroblastes et des péricytes dans nos échantillons et observé le recrutement progressif de ces cellules par les structures de type capillaire HUVEC imprimées sur Matrigel. Des images fluorescentes ont été analysées pour quantifier le recrutement de fibroblastes/péricytes au fil du temps.

The fabrication of biological tissues in laboratory settings has been widely investigated for its applications in research, organ transplantation, and drug screening. Although several previous attempts to generate avascular or thin tissues have been successful, there remains the challenge to create thick functional tissues. Maintaining the viability of thick tissues requires the presence of a capillary network throughout the construct to allow the intake of nutrients and the discard of cellular waste through blood. In addition to endothelial cells, the incorporation of supporting cell types is necessary to promote survival, maturation, and acquire in vivo-like functionality. Compared to other biofabrication methods, bioprinting is a promising technology that enables the precise fabrication of complex 3D patterns at high spatial resolution.

We have come up with a new configuration of our in-house laser-based bioprinting technique called laser-induced side transfer (LIST) in which the bioink passes through a horizontal glass capillary with an orifice facing the receiving substrate. When the laser beam causes bubble formation in the bioink, a liquid jet exits through the orifice that will eventually form a droplet. We have conducted a detailed study to characterize this bioprinting technique and validated its cytocompatibility through viability assessment of LIST-printed human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). In an effort to generate physiological blood vessels, we incorporated fibroblasts and pericytes in our samples and observed the gradual recruitment of these cells by the printed HUVEC capillary-like structures on Matrigel. Fluorescent images were taken and analyzed to quantify the fibroblast/pericyte recruitment over time.