Micropatterned Makro ölçekli 3D Hücresel Mimarlık Modüler Hidrojel Levhaların İnşaatı
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
Hidrojeller, bir in vivo benzeri üç boyutlu (3D), doku yapısının sağlanması için mikro-akışkan veya micropatterning teknolojileri kullanılarak mikro ölçekte desenli olabilir. Elde edilen 3D hidrojel-bazlı hücresel yapılar gelişmiş biyolojik çalışmalar, farmakolojik tahliller ve organ nakli uygulamaları için hayvan deneylerinde alternatif olarak sunulmuştur. Hidrojel-bazlı partiküller ve elyaflar, kolayca imal edilebilir, ancak, bu doku onarımı için bunları işlemek oldukça zordur. Bu videoda, biz kontrollü hücresel mikroçevresinin ile makro ölçekli 3D hücre kültürü sistemi oluşturmak için kendi montaj ile birlikte, micropatterned aljinat hidrojel sayfaları için bir fabrikasyon yöntem açıklanmaktadır. 200 um ve hassas micropatterns ile – kalsiyum jelleştirme maddesinin bir sis formu, ince hidrojel levha kolayca 100 aralığı içinde bir kalınlığa sahip olarak oluşturulur. Hücreler daha sonra hidrojel yaprak geometrik rehberlik ile kültüre edilebilirduran koşullar. Ayrıca, hidrojel levha hali hazırda bir uç kesim ucu ile bir mikropipet kullanılarak manipüle edilebilir ve desenli bir polidimetilsiloksan (PDMS) kare kullanarak istifleme tarafından çok tabakalı yapılar halinde monte edilebilir. , Basit bir işlem kullanılarak imal edilebilir Bu modüler hidrojel levha, mikro ve makro ve doku yeniden üzerindeki fonksiyonel çalışmalarda da dahil olmak üzere in vitro ilaç deneylerinde ve biyolojik çalışmalar, potansiyel uygulamaya sahiptir.
Introduction
Hidrojeller özellikle biyomalzemeler umut vericidir, ve temel biyoloji, farmakolojik deneyleri ve tıpta önemli olması beklenmektedir. 1 hidrojel tabanlı hücresel yapıları Biofabrication hayvan deneyleri kullanımını azaltmak için ileri sürülmüştür, 2,3, 4 transplante dokuların yerini ve geliştirmek Hücre bazlı deneyler. 5,6 su-ihtiva eden (hidro) viskoelâstik malzemelerin (jeller), hücrelerin geniş bir sayısı kapsüllenmiş ve 3B, hücresel mikro-kontrol etmek için bir iskele yapısı içinde muhafaza edilmesini sağlar. Mikroakışkan ya micropatterning teknolojileri yönlendirmesi ile birlikte, hidrojel yapıları geometrisi kesin hücresel ölçekte kontrol edilebilir. Tarih, parçacıkların dahil hidrojellerin şekiller, çeşitli, 7-9 lifler, 10-12 ve levhalar, 13-15 aşağıdan yukarıya beğenme yapı birimi olarak kullanılmıştırMakro ölçekli çok hücreli mimarilerinin imalat için ağrıyor.
Hidrojel-bazlı partiküller ve elyaflar Hem mikroakışkan cihazlar kullanılarak akışkan kontrol grubu ile, mikro ölçekli hücre ortamları gibi uygulamalar için kolaylıkla ve hızlı bir şekilde imal olmuştur. Bununla birlikte, mühendislik dokuların temel birimleri olarak, onları yeniden düzenlemek ve makro ölçekli yapıları olarak hacmini büyütmek için. 16 mikron büyüklüğünde temel modülleri üretmek için daha Makro ölçekli yapıları elde etmek daha zordur karmaşık olacaktır. Hidrojel-bazlı yapıların Levha benzeri birimler basit bir montaj işlemi ile iskeleler hacmini artırmak için de kullanılabilir. Neticesinde, hidrojel levha istiflenmiş katmanları bir hacimsel artış, aynı zamanda 3D uzayda geometrik uzantısı sadece sağlar.
Çoklu yumurtlama içine montajı ile birlikte 15 – Daha önce, 13 micropatterned hidrojel tabakaları imal edilmesi için bir yöntem bildirmiştirola- rak hücresel mimarileri. Teknik, çok katmanlı yapıların istifleme işlemi yoluyla karmaşık micropatterning ve hücresel yapıları modüler tasarımı sağlar. Micropatterned edilir istiflenmiş modüler hidrojel levha, imalatı ile, kontrollü bir makro-ölçekte, hücresel mikro-3 boyutlu bir hücre kültür sistemi gerçekleştirilebilir. Bu video protokol insan karaciğer karsinoma hücre hattında (HepG2) göre modüler hidrojel tabakaları oluşturmak için kullanılabilen basit ama güçlü bir üretim yöntemi açıklanmaktadır. Bu tarifnamede, basit olan bu desenli modüler hidrojel tabakaların manipülasyonu ve bir çok-tabakalı yapı halinde asamblajı göstermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
This protocol provides a simple method of fabricating modular hydrogel sheets, and assembling them to form 3D cellular scaffolds.
To construct clear-cut patterned alginate structures in a short time, we should identify a cross-linking process that can create sufficiently rigid structures to maintain the complex micropatterns from the mold, as well as maintain cell viability and metabolism. We have developed a cross-linking process, including a sol–gel transition, to spray a cross-linking…
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).
