미세 패턴 매크로 스케일 3D 셀룰러 아키텍처 모듈 형 하이드로 겔 시트의 건설
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
하이드로 겔은 생체 -like 3 차원 조직 구조를 제공하는 미세 유동 또는 미세 가공 기술을 이용하여 미세 규모로 패터닝 될 수있다. 얻어진 하이드로 겔 3D 기반 셀룰러 구조는 진보 된 생물학적 연구, 약물 학적 분석 및 장기 이식 애플리케이션 동물 실험의 대안으로 도입되었다. 하이드로 겔 계 입자와 섬유가 쉽게 제조 될 수 있지만, 조직 재건으로 조작하는 것이 곤란하다. 이 동영상에서는 셀룰러 미세 제어와 매크로 스케일 3 차원 세포 배양 시스템을 형성하기 위해 그들의 조립체와 함께, 미세 패턴 알지네이트 하이드로 겔 시트의 제조 방법을 설명한다. 200 μm의, 정밀한 미세 패턴으로 – 칼슘 겔 화제의 안개 상을 사용하여, 하이드로 겔 얇은 시트 용이 100의 범위의 두께로 생성된다. 세포를 하이드로 겔 시트 형상의 안내 배양 할 수있다독립 구조로 서있는 상태. 또한, 하이드로 겔 시트가 용이 단부 컷 팁 마이크로 피펫을 사용하여 조작 될 수 있고, 패터닝 된 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)을 사용하여 프레임을 적층하여 다층 구조로 조립 될 수있다. 손쉬운 프로세스를 사용하여 제조 할 수있다 이러한 모듈 형 하이드로 겔 시트, 마이크로 및 거시 및 조직 재건의 기능 연구를 포함하여 체외 약물 분석 및 생물학적 연구의 응용 가능성을 가지고있다.
Introduction
하이드로 겔은 특히 생체 재료 유망하고, 기초 생물학, 약리학 적 분석 및 의학에 중요한 것으로 예상된다. 한 하이드로 겔 기반 셀룰러 구조의 Biofabrication 동물 실험의 사용을 줄이기 위해 제안되었다, 2,3- 4, 이식 가능한 조직을 대체 및 개량 세포 기반 분석법. 5,6- 수분을 함유 한 (하이드로) 점탄성 재료 (겔)은 다수의 셀이 캡슐화되어 3D 세포 미세 환경을 제어하기 골격 구조로 유지 될 수 있도록. 미세 유동 또는 미세 가공 기술의지도와 함께, 하이드로 겔 구조의 형상을 정확하게 셀룰러 스케일에서 제어 할 수있다. 날짜, 입자를 포함하는 하이드로 젤의 모양의 다양한, 7-9 섬유, 10-12과 시트, 13-15은 상향식 (bottom-up) 아프로에 건물 단위로 사용되어왔다매크로 규모의 다세포 구조의 제조에 아파.
하이드로 겔 기반 입자와 섬유 모두 미세 유체 장치를 사용하여 유체 컨트롤, 마이크로 스케일 셀룰러 환경과 같은 애플리케이션에 쉽고 빠르게 제작되었습니다. 그러나, 설계 조직의 기본 단위로, 그것은 다시 정렬하고 매크로 규모의 구조로 자신의 볼륨을 확대. 16 미크론 크기의 기본 모듈을 생산하는 것보다 그것은 매크로 스케일 구조를 달성하기 어렵다 복잡 할 것입니다. 하이드로 겔 – 기반 구조의 시트형 유닛 간단한 조립 공정을 통해 지지체의 부피를 증가 시키는데 사용될 수있다. 간접으로, 하이드로 겔 시트의 적층은 체적의 증가뿐만 아니라, 3 차원 공간에서의 기하 확장을 제공 할뿐만 아니라.
다중 꼬임으로 그들의 조립체와 함께 15 – 우리는 이전에, 미세 패턴 (13) 하이드로 겔 시트를 제조하는 방법을보고했다겹으로 셀룰러 아키텍처. 이 기술은 다층 구조의 적층 공정을 통해 복잡한 미세 가공 및 세포 구조의 모듈 식 설계를 할 수 있습니다. 적층되는 마이크로 패턴 모듈러 하이드로 겔 시트의 제작을 통하여, 제어 된 매크로 스케일 미세 세포와 3D 세포 배양 시스템을 실현할 수있다. 이 비디오 프로토콜은 인간 간 암종 세포주 (HepG2)에 기반 모듈러 하이드로 겔 시트를 구성하는 데 사용될 수있다 간단하지만 강력한 제조 방법을 설명한다. 우리는 본원에서 이러한 간단한 패터닝 모듈 하이드로 겔 시트의 조작, 다층 구조로 그 조립을 증명한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 모듈 식 하이드로 겔 시트를 제조하고, 3 차원 세포 지지체를 형성하도록 조립하는 간단한 방법을 제공한다.
단시간에 분명한 패턴 알긴산 구조를 구축하기 위해서는 주형으로부터 복잡한 미세 패턴을 유지할뿐만 아니라, 세포 생존 및 대사를 유지하도록 충분한 강성 구조를 만들 수 가교 프로세스를 식별한다. 우리는 안개 형태의 가습기를 이용하여 가교 시?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
