Gradient Stamm Chip für anregende zellulären Verhaltensweisen in Zelle beladenen Hydrogel

Summary

Dieser Artikel stellt eine einfache Methode zur Bereitstellung von nicht-kontinuierlichen gradienter statische Belastungen auf eine konzentrische Zelle beladenen Hydrogel, Ausrichtung der Zellen für das Tissue Engineering zu regulieren.

Abstract

Künstliche Anleitung für zelluläre Ausrichtung ist ein heißes Thema im Bereich des Tissue Engineering. Die meisten der bisherigen Forschung untersuchte einzelne Stamm-induzierte zellulären Ausrichtung auf eine Zelle beladenen Hydrogel mithilfe von komplexen Versuchsabläufe und Masse Controllingsystemen, die in der Regel verbunden mit Verunreinigung Probleme sind. Daher schlagen wir in diesem Artikel einen einfachen Ansatz zum Aufbau einer Gradienten statische Belastung mit einem fluidische Chip mit einer Kunststoffabdeckung PDMS und ein UV-transparentem Glas-Substrat für die Stimulation der zellulären Verhalten in einem 3D Hydrogel. Überlastung Foto-patternable Zelle Prepolymer in der fluidische Kammer erzeugen eine konvexe gekrümmte PDMS-Membran auf dem Cover. Nach UV-Vernetzung durch eine konzentrische kreisförmige Micropattern unter dem geschwungenen PDMS-Membran und Puffer waschen, eine Mikroumgebung für Ermittlungsbehörden Zelle Verhalten unter einer Vielzahl von gradient Stämme ist selbst in einem einzigen fluidische Chip, ohne externe Instrumente etabliert. NIH3T3 Zellen wurden demonstriert, nachdem er beobachtet die Veränderung der zellulären Ausrichtung Trend unter Leitung der Geometrie, in Zusammenarbeit mit Belastung Stimulation, die von 15-65 % auf Hydrogele variiert. Nach einer 3-tägigen Inkubation dominiert die Hydrogel-Geometrie die Zellausrichtung unter niedrigen Druckspannung, wo Zellen entlang Richtung Hydrogel Dehnung unter hoher Druckspannung ausgerichtet. Zwischen diesen zeigten die Zellen zufällige Ausrichtung durch die Dissipation der radikalen Leitlinien Hydrogel Dehnung und die Geometrie-Führung der gemusterten Hydrogel.

Introduction

Dienen als ein Blockmaterial, das eine native Mikroumgebung imitiert, kann ein Hydrogel, die extrazellulären Matrix (ECM) enthalten biomimetische Gewebe Gerüste um Zellwachstum zu unterstützen wieder aufzubauen. Um die Funktionen eines Gewebes besitzen, ist organisierte Zellenausrichtung eine wesentliche Voraussetzung. Verschiedene 2D (d. h. Zellen kultiviert auf einer Oberfläche) und 3D (d. h. Zellen in einem Hydrogel gekapselt) Zelle Achsen durch Kultivierung oder Zellen in oder auf flexiblen Substraten mit Micro Kapseln erreicht wurden- oder Nano-Muster¹. 3D Zellausrichtung in Mikroarchitektur ist attraktiver, da die Mikroumgebung näher an der Heimat Gewebe Konstrukt^2,3,4. Ein gemeinsames Konzept für 3D Zellenausrichtung ist die geometrische Cue von Hydrogel Form^2,3. Aufgrund der Platzverhältnisse für die Zellproliferation in Richtung der kurzen Achse sollen Zellen entlang der langen Achse Richtung in eine Mikro-gemusterten Hydrogel ausrichten. Ein weiterer Ansatz ist die Hydrogele zu Ausrichtung der Zellen parallel zur Strecke Richtung^4,5Bruchdehnung zuweisen.

Biophysikalische Stimulation auf ECM Hydrogele, z. B. Druckspannung oder ein elektrisches Feld kann regulieren Zellfunktionen für richtige Gewebeintegration, Proliferation und Differenzierung^1,2,3. Viel Forschung wurde durchgeführt, um zelluläre Verhalten zu untersuchen, durch die Anwendung einer Sorte Zustand zu einem Zeitpunkt über mehrere mechanische Steuerung Einheiten^4,6,7,8,9. Zum Beispiel die Verwendung von mechanischen Schrittmotoren gequetscht oder gestreckt auf eine 3D Zelle verkapselt Kollagen Hydrogel wurde einen gemeinsamen Ansatz^7,10. Jedoch solche Steuerungsvorrichtung erfordert zusätzlichen Platz und sieht sich das Problem der Kontamination in den Inkubator^7,9,11,12. Darüber hinaus kann nicht das große Instrument eine präzise Steuerungsumgebung ermöglichen hohe Reproduzierbarkeit¹³geben.

Da die Zelle beladenen Hydrogele in der Regel auf der Mikro-Skala für biomedizinische Anwendungen beschäftigt sind, ist es vorteilhaft, MEMS Techniken um eine Reihe von Belastung/dehnen Stimulation zur Zelle Verhalten in 3D biomimetische Konstrukte in-vitro-^{2,14,15,16,17,18}gleichzeitig untersuchen zu generieren zu kombinieren. Beispielsweise kann mit Gasdruck um zu verformen die PDMS-Membran in mikrofluidischen Chips zu verschiedenen Stämmen, fahren-Zell-Differenzierung auf verschiedenen Linien^9,16führen. Allerdings gibt es viele technische Herausforderungen, wie kompliziert Chip Fertigungsprozesse in ein sauberes Zimmer und die Softwareintegration Steuerung von Motoren, Pumpen, Ventile und komprimierte Gase.

In dieser Arbeit zeigen wir Ihnen eine einfache Methode um eine autarke gradient statische Belastung mikrofluidischen Chip zu erhalten durch den Einsatz einer konzentrische kreisförmige Hydrogel-Muster und einer flexiblen Membran PDMS. Anders als die meisten der vorhandenen Ansätze ist unsere Plattform ein tragbar und Einweg-Miniatur-Gerät, vor einem gelben Zimmer hergestellt werden können und, besitzt selbst generierenden gradient Stämme auf konzentrischen Zelle verkapselt Hydrogele, ohne externe mechanische Ausrüstung während der Inkubation. 3 t 3 Fibroblast Zellen Verhalten beeinflusst durch eine Kombination von Hydrogel-Form und eine Vielzahl von Zug-Stretch Anleitung Hinweise wurden während der Beobachtung der Ausrichtung der Zellen innerhalb von ECM-mimetischen 3D-Umgebungen im Farbverlauf Stamm Chip für 3 Tage gezeigt.

Protocol

1. GelMA Synthesis Weigh 10 g of gelatin powder and add it to a glass flask with 100 mL ofDulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS). Put a magnetic stir bar into the flask and place the flask on a stirring hot plate. Cover the flask with aluminum foil to avoid water evaporation. Set the hot plate temperature to 50-60 °C and the stirrer at 100 rpm for 1 h to dissolve the gelatin powder well. After the gelatin has dissolved, add 8 mL of methacrylic anhydride very slowly (one drop …

Representative Results

Um die mechanischen Unterschiede zwischen jeder Runde Hydrogel im abgeschlossenen gradient Belastung Stimulation Chip zu vergleichen, haben wir die Linienstärken jede Runde Hydrogel in zwei die gleichen Chips, Einspritzmengen von 0 µL (Abb. 4a) mit 40 µL (Abbildung 4 b), bzw. gemessen. Prozent Dehnungen in jedem Kreis waren die Dehnungen in der 40 µL injiziert Chip durch dividiert die Linienbreiten der entsprechenden Hydrogel…

Discussion

In diesem Beitrag berichten wir über einen einfachen Ansatz, Zelle Ausrichtung Verhalten nach Hydrogel Form Führung und Bruchdehnung zu vergleichen. Eine flexible Membran PDMS schafft eine kuppelförmige Wölbung zur Generierung von unterschiedlichen Höhen der konzentrische kreisförmige Hydrogele. Nach der Veröffentlichung des Drucks, gilt die PDMS-Membran automatisch Kraft für die Mikro-gemusterten Hydrogele gradient Belastung/Dehnung, mit einem Maximum in der Mitte und einem Minimum an der äußeren Grenze bilden…

Materials

1.5-mL black microcentrifuge tube	Argos Technologies	03-391-161	This one can be replaced with a neutral color of 1.5-mL tube covered with aluminun foil
10X DPBS	Sigma-Aldrich	56064C
Alexa Fluor 488 phalloidin	Invitrogen	A12379
BSA	Sigma	A1595
Calcein	Molecular Probe	C1430	For labeling viable cells
CCD	PCO. Imaging	Pixelfly qe
Cell membrane permeating solution	Sigma-Aldrich	X100	0.5% Triton X-100 for permeating cell membrane
DAPI	Sigma-Aldrich	D8417	Cell nucleus staining
Dialysis membrane	Sigma-Aldrich	D9527	Molecular weight cut-off = 14,000
DMEM	Gibco	11995-065
Double-side tape	3M	8003
FBS	Hyclone	SH30071.03
Gelatin	Sigma-Aldrich	G2500	gel strength 300, type A, from porcine skin
High frequency electronic corona generator	Electro-technic products	MODEL BD-20
Methacrylic Anhydride	Sigma-Aldrich	276685
Micro syringe	Hamilton	80501	50 μL
Microscope	Olympus	IX71	Include two filter sets: LF405/LP-B-000 and LF488/LP-C-000 from Semrock
Oxygen plasma machine	Harrick plasma	PDC-001
Paraformaldehyde	Sigma-Aldrich	P6148	For fixing cell
PDMS	DOW CORNING	Sylgard 184	Mixture for PDMS chip cast-molding fabrication
Pen-Strep	Gibco	10378-016	penicillin/streptomycin
Photoinitiator	CIBA	Irgacure 2959
Propidium iodide	Sigma-Aldrich	P4170	For labeling dead cells
Sterile Filtration cup	Millipore	SCGPT05RE
TMSPMA	Sigma-Aldrich	440159	For hydrogel immobilization
Ultrasonicator	Delta	D150H	150W, 43kHz
UV light	DAIHAN	WUV-L10
Freeze Dryer	FIRSTEK	150311025
NIH3T3(fibroblast)	Food Industry Research and Development Institute(FIRDI)	08C0011
MOXI Z Mini Automated Cell Counter	ORFLO	MXZ001