Fabrication de microsphères poreuses hautement ouvertes (HOPM) via la technologie microfluidique
Summary
Le présent protocole décrit la fabrication de microsphères poreuses hautement ouvertes (HOPM) à base de poly(acide lactique-co-glycolique) au moyen de la technologie microfluidique facile basée sur la formulation à émulsion unique. Ces microsphères ont des applications potentielles dans l’ingénierie tissulaire et le criblage de médicaments.
Abstract
Par rapport aux échafaudages en vrac et à l’injection directe de cellules seules, les unités modulaires injectables ont suscité un énorme intérêt pour la réparation des tissus défectueux en raison de la commodité de l’emballage des cellules, de l’amélioration de la rétention cellulaire et du caractère invasif minimal. De plus, la conformation poreuse de ces transporteurs microscopiques pourrait améliorer l’échange de milieu et améliorer le niveau de nutriments et d’oxygène. La présente étude illustre la fabrication pratique de microsphères poreuses hautement ouvertes à base de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA-HOPM) par la technologie microfluidique facile pour les applications d’administration cellulaire. Les PLGA-HOPM monodispersés qui en résultaient possédaient des tailles de particules de ~400 μm et des pores ouverts de ~50 μm avec des fenêtres interconnectées. En bref, les gouttelettes d’huile émulsionnées (solution PLGA dans le dichlorométhane, DCM), enveloppées avec la phase aqueuse de gélatine à 7,5% (p / v), ont été introduites dans la solution aqueuse de poly(alcool vinylique) (PVA) à flux continu à 1% (p/v) à travers la buse coaxiale dans la configuration microfluidique personnalisée. Par la suite, les microsphères ont été soumises à des procédures d’extraction par solvant et de lyophilisation, ce qui a entraîné la production de HOPM. Notamment, diverses formulations (concentrations de PLGA et de porogène) et paramètres de traitement (pouvoir émulsifiant, jauge d’aiguille et débit de phase dispersée) jouent un rôle crucial dans les qualités et les caractéristiques des HOPM PLGA résultants. De plus, ces architectures pourraient potentiellement encapsuler divers autres indices biochimiques, tels que les facteurs de croissance, pour des applications étendues de découverte de médicaments et de régénération tissulaire.
Introduction
Les microsphères chargées de cellules offrent des avantages favorables, tels qu’une capacité de rétention cellulaire accrue in situ, une livraison efficace des cellules et une capacité ultérieure de prolifération cellulaire in vivo1. À ce jour, de nombreuses recherches ont été avancées pour développer une structure d’échafaudage efficace afin de soutenir un environnement propice aux cellules pour la régénération tissulaire ou les applications de criblagede médicaments 2. Cependant, l’environnement hypoxique est souvent inévitable à l’intérieur en raison d’un apport insuffisant de nutriments / oxygène et d’une accumulation de déchets métaboliques3. Pour pallier ces problèmes, des microsphères (PM) hautement poreuses ont été développées à partir de divers biomatériaux 4,5,6. De plus, dans la culture dynamique, les échafaudages souffrent d’une contrainte de cisaillement excessive7, et l’état instable du milieu de culture peut briser la fidélité des particules. Alternativement, l’acide poly(lactique-co-glycolique) (PLGA) pourrait être utilisé pour traiter les particules ayant une bonne résistance mécanique pour la culture dynamique1. Par exemple, nous avons démontré la co-injection de myoblastes de souris (C2C12) chargés de particules hautement ouvertes (HOPM) PLGA et de microtiges creuses en poly(éthylène glycol) chargées de cellules endothéliales ombilicales humaines (HUVEC) pour guérir la perte musculaire volumétrique, obtenant une amélioration remarquable de la régénération des muscles squelettiques in situ 8.
Notamment, les particules sont caractérisées par de grandes surfaces et des porosités élevées, ce qui présente un intérêt particulier pour l’adhésion cellulaire et la croissance vers une livraison cellulaire mini-invasive9. Compte tenu de ces aspects, divers matériaux biocompatibles ont été utilisés pour fabriquer les particules10,11. Ces particules concevables cocultivées avec des cellules offrent une excellente adhérence, une résistance mécanique considérable et des fenêtres hautement interconnectées, ce qui pourrait améliorer la prolifération cellulaire pour réparer les tissus endommagés12. À cet égard, diverses technologies ont également été développées pour fabriquer des sphères poreuses13,14. D’une part, les particules ont été produites à l’aide d’agents formant des gaz, tels que NH4HCO3, qui ont été limités en raison d’une interconnectivité insuffisante15,16,17. D’autre part, les particules ont été directement cisaillées après émulsification, ce qui a conduit à des particules polydispersées18. En fin de compte, la technologie microfluidique des gouttelettes basée sur l’approche de l’émulsion-templation est peut-être une méthode efficace pour construire des particules, car elle aboutit souvent à des particules de taille uniforme19. Notamment, les attributs morphologiques des microsphères dépendent souvent de la qualité des gouttelettes d’émulsion générées (c.-à-d. eau dans l’huile, E/S, ou huile dans eau, H/E), ce qui peut affecter de manière significative les attributs des biomatériaux20. Il convient de noter que la plate-forme microfluidique préconçue peut être appliquée pour générer les microfibres ou les microsphères. Dans un cas, Yu et al. ont démontré la production de structures microfibreuses chargées de cellules basées sur des plateformes microfluidiques capillaires, qui pourraient être utilisées pour assembler des réseaux cellulaires pour imiter les tissus naturels21. Dans un autre cas, Ye et al. ont fabriqué des microcapsules de cristaux photoniques par la reproduction matricielle de billes de cristal colloïdal de silice grâce à des technologies microfluidiques, ce qui pourrait surmonter de nombreuses limites des techniques actuelles qui nécessitent un étiquetage complexe et des appareils spécifiques22.
En effet, la raison d’être de l’utilisation de cette technique est due à divers avantages, tels que la facilité de nature, l’absence d’équipement sophistiqué et sa commodité dans la synthèse de particules de taille uniforme pour l’administration cellulaire et les applications de médecine régénérative. Dans ce contexte, avec des composants préconçus de modèle d’émulsion, les particules à haute porosité et interconnectivité peuvent être facilement obtenues à partir d’un dispositif microfluidique assemblé à partir de tubes en poly(chlorure de vinyle) (PVC), d’un capillaire en verre et d’une aiguille. Un précurseur d’émulsion W/O est préparé en homogénéisant une solution aqueuse de gélatine et une solution organique de PLGA. En injectant sélectivement la partie applicable de l’émulsion dans la plate-forme microfluidique, les particules avec des tailles de particules uniformes et des pores interconnectés de toute la surface vers l’intérieur sont fabriquées. Le présent protocole vise à fabriquer les PLGA-HOPM par émulsion-templation dans la plate-forme microfluidique. On pense que ce protocole permet la production reproductible de PLGA-HOPM et sera potentiellement applicable dans leurs domaines connexes de l’ingénierie tissulaire et du criblage de médicaments.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article décrit une stratégie efficace pour fabriquer des architectures basées sur PLGA, à savoir les PLGA-HOPM. Il est à noter que plusieurs étapes critiques doivent être prises avec soin, notamment éviter la volatilisation par solvant de la PLGA et ajuster en douceur la puissance ultrasonore à la position cible lors de la préparation de l’émulsion. De plus, la sortie liquide de la seringue de 20 mL peut être ajustée dans une certaine mesure pour résoudre la séparation de phase des précurseurs émul…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SCL, YW, RKK et AZC reconnaissent le soutien financier de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC, 32071323, 81971734 et U1605225) et du Programme pour l’équipe de recherche innovante en science et technologie de l’Université de la province du Fujian. YSZ n’a bénéficié d’aucun de ces programmes et n’a reçu aucun paiement; au lieu de cela, le soutien du Brigham Research Institute est reconnu.
Materials
| Centrifuge tube | Solarbio, Beijing, China | 5 mL & 50 mL (sterility) | |
| Confocal laser scanning microscopy | Leica, Wetzlar, Germany | TCS SP8 | |
| Dichloromethane | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, Shanghai, China | 20161110 | Research Grade |
| Dispensing needle | Kindly, Shanghai, China | 26 G, ID: 250 μm, OD: 460 μm | |
| DMEM/F-12 | Gibco; Life Technologies Corporation, Calsbad, USA | 15400054 | DMEM/F-12 50/50, 1x (Dulbecco's Mod. Of Eagle's Medium/Ham's F12 50/50 Mix) with L-glutamine |
| Ethyl alcohol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, Shanghai, China | 20210918 | Research Grade |
| Ethyl-enediaminetetraacetic acid (EDTA)-trypsin | Biological Industries, Kibbutz Beit-Haemek, Isra | Trypsin (0.25%), EDTA (0.02%) | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Biological Industries, Kibbutz Beit-Haemek, Isra | Research Grade | |
| Freeze drier | Bilon, Shanghai, China | FD-1B-50 | |
| Gelatin | Sigma-Aldrich Co. Ltd, St. Louis, USA | lot# SZBF2870V | From porcine skin, Type A |
| Glass bottom plate | Biosharp, Hefei, China | BS-15-GJM, 35 mm | |
| Glass capillary | Huaou, Jiangsu, China | 0.9-1.1 × 120 mm | |
| Incubator shaker | Zhicheng, Shanghai, China | ZWYR-200D | |
| Live dead kit cell imaging kit | Solarbio, Beijing, China | 60421211112 | Green fluorescence in live cells (ex/em 488 nm/515 nm). Red fluorescence in dead cells (ex/em 570 nm/602 nm) |
| Low-speed centrifuge | Xiangyi, Hunan, China | TD5A | |
| Magnetron sputter | Riye electric Co. Ltd, Suzhou, China | MSP-2S | |
| Microflow injection pump | Harvard Apparatus, Holliston, USA | Harvard Pump 11 Plus | |
| Penicillin-streptomycin | Biological Industries, Kibbutz Beit-Haemek, Isra | 2135250 | Research Grade |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Servicebio Technology Co.,Ltd. Wuhan, China | GP21090181556 | PBS 1x, culture grade, no Calcium, no Magnesium |
| Poly(lactic-co-glycolic acid) | Sigma-Aldrich Co. Ltd, St. Louis, USA | lot# MKCF9651 | 66–107 kDa, lactide:glycolide 75:25 |
| Poly(vinyl alcohol) | Sigma-Aldrich Co. Ltd, St. Louis, USA | lot# MKCK4266 | 13-13 kDa, 98% Hydrolyzed |
| PVC tube | Shenchen, Shanghai, China | Inner diameter, ID: 1 mm | |
| Rat bone marrow mesenchyml stem cells | Procell, Wuhan, China | ||
| Scanning electron microscope | Phenom pure, Eindhoven, Netherlands | Set acceleration voltage at 5 kV | |
| Syrine for medical purpose | Kindly, Shanghai, China | 5 mL & 50 mL (with the needle) | |
| Temperature water bath | Mingxiang, Shenzhen, China | 36 W | |
| Transformer | Riye electric Co. Ltd, Suzhou, China | SZ-2KVA | |
| Ultrasonic cell breaker | JY 92-IID, Scientz, Ningbo, China | JY 92-IID | |
| UV curing glue | Zhuolide, Foshan, China | D-3100 |
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