Bygging av Modular Hydrogel blad for Micropatterned Macro-skalert 3D Cellular Arkitektur
Summary
We describe the fabrication of micropatterned hydrogel sheets using a simple process, which can be assembled and manipulated in a freestanding form. Using these modular hydrogel sheets, a simple macro-scaled 3D cell culture system can be generated with a controlled cellular microenvironment.
Abstract
Hydrogeler kan mønstres på mikro-skala ved hjelp av microfluidic eller micropatterning teknologier for å gi en de vivo-lignende tre-dimensjonale (3D) vev geometri. De resulterende 3D hydrogeldannende basert cellekonstruksjoner er blitt innført som et alternativ til dyreforsøk for avanserte biologiske studier, farmakologiske analyser og organtransplantasjons applikasjoner. Selv hydrogel-baserte partikler og fibre kan lett fremstilles, er det vanskelig å manipulere dem for vev rekonstruksjon. I denne video beskriver vi en fremstillingsmetode for micropatterned alginat hydrogel-plater, sammen med deres sammenstilling for å danne en makroskala 3D cellekultursystem med kontrollert cellulære mikromiljø. Ved hjelp av en tåke formen av kalsiumgeleringsmiddel, er tynne hydrogel-plater enkelt genereres med en tykkelse i området fra 100 – 200 pm, og med nøyaktige micropatterns. Kan cellene dyrkes sammen med den geometriske veiledning av hydrogel-plater ifrittstående forhold. Videre kan hydrogel arkene lett manipuleres ved hjelp av en mikropipette med en ende snitt spissen, og kan settes sammen til flerlagsstrukturer ved å stable dem ved hjelp av en mønstret polydimetylsiloksan (PDMS) ramme. Disse modulære hydrogel ark, som kan fabrikkert ved hjelp av en lettvint prosess, har potensielle anvendelser av in vitro legemiddelanalyser og biologiske studier, inkludert funksjonelle studier av mikro- og makro og vev rekonstruksjon.
Introduction
Hydrogeler er spesielt lovende biomaterialer, og er forventet å være viktig i grunnleggende biologi, farmakologiske analyser og medisin. 1 Biofabrication hydrogel-baserte cellekonstruksjoner er blitt foreslått for å redusere bruken av dyreforsøk, 2,3 erstatte transplant vev, 4 og forbedre celle-baserte analyser. 5,6 Vann inneholdende (hydro-) viskoelastiske materialer (geler) tillate et stort antall celler som skal innkapsles, og opprettholdes i et stillas struktur for å styre 3D cellulære mikromiljø. I kombinasjon med veiledning av microfluidic eller micropatterning teknologier, kan geometrien til hydrogel konstruksjonene styres nøyaktig på celle skala. Til dags dato, en rekke former av hydrogeler, inkludert partikler, 7 – 9 fiber, 10 – 12 og ark, 13-15 har vært brukt som bygningsenheter i bottom-up hensiktssmerter til fabrikasjon av makro-skala flercellede arkitekturer.
Begge hydrogel-baserte partikler og fibre har vært lett og raskt fremstille for applikasjoner som mikro-skala cellulære miljøer med kontrollene ved hjelp av fluidtekniske microfluidic enheter. Men som de grunnleggende enheter av konstruerte vev, ville det være komplisert å omorganisere dem og å utvide sitt volum som makro-skala konstruksjoner. 16 Det er vanskeligere å oppnå makro skalert konstruksjoner enn å produsere mikron-størrelse grunnmodulene. Arklignende enheter av hydrogel-baserte konstruksjoner kan anvendes for å øke volumet av stillasene via en enkel monteringsprosessen. Consequentially, stablede lag av hydrogel-plater gir ikke bare en volumetrisk økning, men også en geometrisk utstrekning i et 3D-rom.
Vi har tidligere rapportert en fremgangsmåte for fremstilling micropatterned hydrogel-plater, 13. – 15 sammen med deres sammenstilling til multi-layEred cellulære arkitekturer. Teknikken gjør det mulig kompleks micropatterning og modulær design av cellulære konstruerer via en stable prosess med lagdelte strukturer. Ved fabrikasjon av stablede modulære hydrogel-plater, som er micropatterned, kan en 3D-cellekultursystem med kontrollert makro-skala cellulære mikromiljø bli realisert. Denne filmen protokollen beskriver et enkelt, men kraftig fremstillingsmetode som kan anvendes for å konstruere modulære hydrogel-plater, basert på human lever carcinoma cellelinje (HepG2). Vi viser her enkel manipulering av disse mønstrede modulære hydrogel ark, og deres sammenstilling til en multi-lagdelt struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen er en enkel metode for fremstilling av modulære hydrogel ark, og montering av dem til å danne 3D cellulære stillaser.
For å konstruere klare mønstrede alginat strukturer i en kort tid, bør vi identifisere en tverrbinding prosess som kan skape tilstrekkelig stive strukturer for å opprettholde de komplekse micropatterns fra formen, samt opprettholde cellenes levedyktighet og metabolisme. Vi har utviklet en tverrbinding prosessen, inkludert en sol-gel-overgangen, for å…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by a National Leading Research Laboratory Program (Grant NRF-2013R1A2A1A05006378) through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning. The authors also acknowledge a KAIST Systems Healthcare Program.
Materials
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Corporation | 000000000001064291 | |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | Powdered nonionic surfactant |
| Alginic acid sodium salt, low viscosity | Alfa Aesar | B25266 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| Ultrasonic humidifier | MediHeim | MH-2800 | Modified equipment, Maximum sprayed rate: 250 mL/h |
| Nylon net filter hydrofilic, 180 μm | EMD Millipore | NY8H04700 | |
| Polycarbonate mold | Customized mold for fabrication of a PDMS frame pattern |
References
- Hoffman, A. S. Hydrogels for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (Supplement), 18-23 (2012).
- Lan, S., Starly, B. Alginate based 3D hydrogels as an in vitro co-culture model platform for the toxicity screening of new chemical entities. Toxicol. Appl. Pharm. 256 (1), 62-72 (2011).
- Szot, C. S., Buchanan, C. F., Freeman, J. W., Rylander, M. N. 3D in vitro bioengineered tumors based on collagen I hydrogels. Biomaterials. 32 (31), 7905-7912 (2011).
- Lim, F., Sun, A. M. Microencapsulated islets as bioartificial endocrine pancreas. Science. 210 (4472), 908-910 (1980).
- Koh, W. G., Itle, L. J., Pishko, M. V. Molding of hydrogel microstructures to create multiphenotype cell microarrays. Anal. Chem. 75 (21), 5783-5789 (2003).
- Xu, Y., et al. A Microfluidic Hydrogel Capable of Cell Preservation without Perfusion Culture under Cell-Based Assay Conditions. Adv Mater. 22 (28), 3017-3021 (2010).
- Um, E., Lee, D. S., Pyo, H. S., Park, J. K. Continuous generation of hydrogel beads and encapsulation of biological materials using a microfluidic droplet-merging channel. Microfluid. Nanofluid. 5 (4), 541-549 (2008).
- Lee, D. H., Lee, W., E, U. m., Park, J. K. Microbridge structures for uniform interval control of flowing droplets in microfluidic networks. Biomicrofluidics. 5 (3), 034117 (2011).
- Lee, D. H., Bae , C. Y., Han, J. I., Park, J. K. In situ analysis of heterogeneity in the lipid content of single green microalgae in alginate hydrogel microcapsules. Anal. Chem. 85 (18), 8749-8756 (2013).
- Yamada, M., Sugaya, S., Naganuma, Y., Seki, M. Microfluidic synthesis of chemically and physically anisotropic hydrogel microfibers for guided cell growth and networking. Soft Matter. 8 (11), 3122-3130 (2012).
- Yamada, M., et al. Controlled formation of heterotypic hepatic micro-organoids in anisotropic hydrogel microfibers for long-term preservation of liver-specific functions. Biomaterials. 33 (33), 8304-8315 (2012).
- Onoe, H., et al. Metre-long cell-laden microfibres exhibit tissue morphologies and functions. Nat. Mater. 12 (6), 584-590 (2013).
- Lee, W., Son, J., Yoo, S. S., Park, J. K. Facile and Biocompatible Fabrication of Chemically Sol−Gel Transitional Hydrogel Free-Standing Microarchitectures. 12 (1), 14-18 (2011).
- Lee, W., et al. Cellular hydrogel biopaper for patterned 3D cell culture and modular tissue reconstruction. Adv. Healthcare Mater. 1 (5), 635-639 (2012).
- Bae, C. Y., Min, M. K., Kim, H., Park, J. K. Geometric effect of the hydrogel grid structure on in vitro formation of homogeneous MIN6 cell clusters. Lab Chip. 14 (13), 2183-2190 (2014).
- Bruzewicz, D. A., McGuigan, A. P., Whitesides, G. M. Fabrication of a modular tissue construct in a microfluidic chip. Lab Chip. 8 (5), 663-671 (2008).
- Choi, S., Park, J. K. Two-step photolithography to fabricate multilevel microchannels. Biomicrofluidics. 4 (4), 046503 (2010).
- Lee, B. R., et al. In situ formation and collagen-alginate composite encapsulation of pancreatic islet spheroids. Biomaterials. 33 (3), 837-845 (2012).
- Cabodi, M., Choi, N. W., Gleghorn, J. P., Lee, C. S., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. A microfluidic biomaterial. J. Am. Chem. Soc. 127 (40), 13788-13789 (2005).
- Choi, N. W., Cabodi, M., Held, B., Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. Microfluidic scaffolds for tissue engineering. Nat. Mater. 6 (11), 908-915 (2007).
- Rowley, J. A., Madlambayan, G., Mooney, D. J. Alginate hydrogels as synthetic extracellular matrix materials. Biomaterials. 20 (1), 45-53 (1999).
