Summary

Protokoller af 3D Bioprinting af gelatine Methacryloyl hydrogel baserede Bioinks

Published: December 21, 2019
doi:

Summary

Præsenteret her er en metode til 3D bioprinting af gelatine methacryloyl.

Abstract

Gelatine methacryloyl (GelMA) er blevet en populær biomaterialet i området for bioprinting. Afledningen af dette materiale er gelatine, som hydrolyseres fra pattedyr kollagen. Således arginin-glycin-aspartinsyre (RGD) sekvenser og målmotiver af matrix metalloproteinase (MMP) forbliver på de molekylære kæder, som hjælper med at opnå celle fastgørelse og nedbrydning. Desuden er formation egenskaber af GelMA alsidige. Methacrylamid-grupperne tillader, at et materiale hurtigt bliver tværbundet under let bestråling i nærværelse af en fotoinitiator. Derfor, det giver god mening at etablere egnede metoder til syntetisere tredimensionelle (3D) strukturer med dette lovende materiale. Men dens lave viskositet begrænser Gelma’s print barhed. Præsenteret her er metoder til at udføre 3D bioprinting af gelma hydrogels, nemlig fabrikation af gelma mikrokugler, gelma fibre, gelma komplekse strukturer, og gelma-baserede mikrofluidisk chips. De resulterende strukturer og biokompatibilitet af materialer samt trykning metoder diskuteres. Det menes, at denne protokol kan fungere som en bro mellem tidligere anvendte biomaterialer og GelMA samt bidrage til etableringen af GelMA-baserede 3D-arkitekturer til biomedicinske applikationer.

Introduction

Hydrogels menes at være et egnet materiale inden for biofabrikation1,2,3,4. Blandt dem, gelatine methacryloyl (GelMA) er blevet en af de mest alsidige biomaterialer, oprindeligt foreslået i 2000 af van den Bulcke et al.5. GelMA syntetiseres ved direkte reaktion af gelatine med methacrylanhydrid (MA). Gelatine, som hydrolyseres af pattedyr kollagen, består af målmotiver af matrix metalloproteinase (MMP). Således, in vitro tredimensionale (3D) væv modeller etableret af GelMA kan ideelt efterligne samspillet mellem celler og ekstracellulære matrix (ECM) in vivo. Endvidere, arginin-glycin-aspartinsyre (rgd) sekvenser, som er fraværende i nogle andre silicagelrogeler såsom alginates, forblive på de molekylære kæder af gelma. Dette gør det muligt at realisere fastgørelse af indkapslede celler inde hydrogel netværk6. Desuden er dannelsen evne GelMA lovende. Methacrylamid-grupperne på GelMA-molekyle kæderne reagerer med photoinitiator under milde reaktionsbetingelser og danner kovalente bindinger ved udsættelse for lysbestråling. Derfor kan de trykte strukturer hurtigt tværbundet for at opretholde de designede figurer på en enkel måde.

Baseret på disse egenskaber, en række felter udnytte GelMA til at udføre forskellige anvendelser, såsom vævsteknik, grundlæggende cytologi analyse, Drug screening, og biosensing. Derfor er forskellige fabrikations strategier også blevet påvist7,8,9,10,11,12,13,14. Men, det er stadig udfordrende at udføre 3D bioprinting baseret på GelMA, som er på grund af sine grundlæggende egenskaber. GelMA er et temperaturfølsomt materiale. Under trykningen skal temperaturen i udskrivnings atmosfæren kontrolleres strengt for at opretholde biotrykens fysiske tilstand. Desuden er viskositeten af gelma generelt lavere end andre almindeligt silicagelrogeler (dvs. alginat, chitosan, hyaluronsyre osv.). Men andre forhindringer står over for, når du opbygger 3D-arkitekturer med dette materiale15.

Denne artikel opsummerer flere tilgange til 3D bioprinting af gelma foreslået af vores laboratorium og beskriver de trykte prøver (dvs. syntesen af gelma mikrokugler, gelma fibre, gelma komplekse strukturer, og gelma-baserede mikrofluidisk chips). Hver metode har specialiserede funktioner og kan vedtages i forskellige situationer med forskellige krav. GelMA mikrokugler er genereret af en elektro assisteret modul, som danner ekstra ekstern elektrisk kraft til at krympe Dråbestørrelse. Med hensyn til GelMA fibre, de er ekstruderet af en koaksial bioprinting dyse ved hjælp af viskøs natriumalginat. Desuden er etableringen af komplekse 3D-strukturer opnås med en digital Light Processing (DLP) bioprinter. Endelig foreslås en dobbelt Cross Linking-strategi for at bygge gelma-baserede mikrofluidisk-chips, der kombinerer gelma-hydrogel og traditionelle mikrofluidisk-chips. Det menes, at denne protokol er et væsentligt Resumé af GelMA bioprinting strategier, der anvendes i vores laboratorium og kan inspirere andre forskere i relative områder.

Protocol

1. celledyrkning Forbered dulbecco’s modificerede Eagle medium (DMEM) suppleret med 10% føtal bovint serum (FBS) og 1% penicillin/streptomycin, der anvendes til dyrkning af humane brystkræft celler (MDA-MB-231) linjer og humane navle formede vene endotel celle (HUVEC) linjer. Forbered DMEM med L-glutamin (DMEM/F-12), suppleret med 10% FBS og 1% penicillin/streptomycin, anvendes til kultur knoglemarv mesenchymal stamcelle (BMSC) linjer. Indstil dyrknings miljøet som 37 °C og 5% CO2</…

Representative Results

Under fremstillingen af GelMA mikrokugler blev GelMA-dråberne adskilt af den eksterne elektriske felt kraft. Når dråberne faldt i den modtagende silicium olie, forblev de standard sfæide form uden haler. Dette skyldes, at GelMA-dråberne var i en vandig fase, mens silicium olien var i en oliefase. Den overfladespænding, der dannes mellem de to faser, har medført, at GelMA-dråberne opretholder en standard sfæide form. Med hensyn til de celle-lastet mikrokugler, celler oplevede højspænding elektrisk felt kraft i …

Discussion

Denne artikel beskriver flere strategier til at fabrikere gelma 3D strukturer, nemlig gelma mikrokugler, gelma fibre, gelma komplekse strukturer, og gelma-baserede mikrofluidisk chips. GelMA har lovende biokompatibilitet og dannelse kapacitet og er meget udbredt i området for biofabrikering. Mikrosphere strukturer er velegnede til kontrolleret frigivelse af stoffer, vævsdyrkning, og injektion i organismer til yderligere behandling21,22,<sup class="xr…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev sponsoreret af det nationale centrale forsknings-og udviklings program i Kina (2018YFA0703000), national Nature Science Foundation i Kina (no. U1609207, 81827804), videnskabs fonden for kreative forskningsgrupper af National Natural Science Grundlæggelsen af Kina (nr. 51821093).

Materials

0.22 μm filter membrane Millipore
2-(4-amidinophenyl)-6-indolecarbamidine dihydrochloride (DAPI) Yeasen Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China
3D bioprinter SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
405nm wavelength light SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
co-axial nozzle SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
confocal fluorescence microscope OLYMPUS FV3000
digital light processing (DLP) bioprinter SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
DLP printer SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
Dulbecco's Modified Eagle Medium with L-glutamine (DMEM/F-12) Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
EFL Software SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
fetal bovine serum (FBS) Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
gelatin Sigma-Aldrich, Shanghai, China
gelatin methacryloyl (GelMA) SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
high voltage power SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
lithium phenyl-2, 4, 6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China
paraformaldehyde Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
penicillin/streptomycin Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China
sodium alginate (Na-Alg) Sigma-Aldrich, Shanghai, China
TRITC phalloidin Yeasen Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China
Triton X-100 Solarbio Co., Ltd., Shanghai, China

Riferimenti

  1. Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
  2. Ashton, R. S., Banerjee, A., Punyani, S., Schaffer, D. V., Kane, R. S. Scaffolds based on degradable alginate hydrogels and poly(lactide-co-glycolide) microspheres for stem cell culture. Biomaterials. 28 (36), 5518-5525 (2007).
  3. Billiet, T., Vandenhaute, M., Schelfhout, J., Van Vlierberghe, S., Dubruel, P. A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering. Biomaterials. 33 (26), 6020-6041 (2012).
  4. Saroia, J., et al. A review on biocompatibility nature of hydrogels with 3D printing techniques, tissue engineering application and its future prospective. Bio-Design and Manufacturing. 1 (4), 265-279 (2018).
  5. Van Den Bulcke, A. I., et al. Structural and Rheological Properties of Methacrylamide Modified Gelatin Hydrogels. Biomacromolecules. 1 (1), 31-38 (2000).
  6. Sun, M., et al. Synthesis and Properties of Gelatin Methacryloyl (GelMA) Hydrogels and Their Recent Applications in Load-Bearing Tissue. Polymers. 10 (11), 1290 (2018).
  7. Gao, Q., et al. 3D printing of complex GelMA-based scaffolds with nanoclay. Biofabrication. 11 (3), 035006 (2019).
  8. Hassanzadeh, P., et al. Ultrastrong and flexible hybrid hydrogels based on solution self-assembly of chitin nanofibers in gelatin methacryloyl (GelMA). Journal of Materials Chemistry B. 4 (15), 2539-2543 (2016).
  9. McBeth, C., et al. 3D bioprinting of GelMA scaffolds triggers mineral deposition by primary human osteoblasts. Biofabrication. 9 (1), 015009 (2017).
  10. Nie, J., et al. Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics. Small. 14 (45), 1802368 (2018).
  11. Shao, L., et al. Bioprinting of Cell-Laden Microfiber: Can It Become a Standard Product. Advanced Healthcare Materials. 8 (9), 1900014 (2019).
  12. Shao, L., et al. Fiber-Based Mini Tissue with Morphology-Controllable GelMA Microfibers. Small. 14 (44), 1802187 (2018).
  13. Xie, M., et al. Electro-Assisted Bioprinting of Low-Concentration GelMA Microdroplets. Small. 15 (4), 1804216 (2019).
  14. Yue, K., et al. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 73, 254-271 (2015).
  15. Schuurman, W., et al. Gelatin-Methacrylamide Hydrogels as Potential Biomaterials for Fabrication of Tissue-Engineered Cartilage Constructs. Macromolecular Bioscience. 13 (5), 551-561 (2013).
  16. Barbot, A., Decanini, D., Hwang, G. On-chip Microfluidic Multimodal Swimmer toward 3D Navigation. Scientific Reports. 6, 19041 (2016).
  17. Esmaeilsabzali, H., et al. An integrated microfluidic chip for immunomagnetic detection and isolation of rare prostate cancer cells from blood. Biomedical Microdevices. 18 (1), 22 (2016).
  18. Lee, J. M., Zhang, M., Yeong, W. Y. Characterization and evaluation of 3D printed microfluidic chip for cell processing. Microfluidics and Nanofluidics. 20 (1), 5 (2016).
  19. Picot, J., et al. A biomimetic microfluidic chip to study the circulation and mechanical retention of red blood cells in the spleen. American Journal of Hematology. 90 (4), 339-345 (2015).
  20. Ren, K., Zhou, J., Wu, H. Materials for Microfluidic Chip Fabrication. Accounts of Chemical Research. 46 (11), 2396-2406 (2013).
  21. Chen, H., et al. Covalently antibacterial alginate-chitosan hydrogel dressing integrated gelatin microspheres containing tetracycline hydrochloride for wound healing. Materials Science and Engineering: C. 70, 287-295 (2017).
  22. Fan, M., et al. Covalent and injectable chitosan-chondroitin sulfate hydrogels embedded with chitosan microspheres for drug delivery and tissue engineering. Materials Science and Engineering: C. 71, 67-74 (2017).
  23. Feng, J., et al. Preparation of black-pearl reduced graphene oxide-sodium alginate hydrogel microspheres for adsorbing organic pollutants. Journal of Colloid and Interface Science. 508, 387-395 (2017).
  24. Park, K. S., Kim, C., Nam, J. O., Kang, S. M., Lee, C. S. Synthesis and characterization of thermosensitive gelatin hydrogel microspheres in a microfluidic system. Macromolecular Research. 24 (6), 529-536 (2016).
  25. Zheng, Y., et al. Injectable Hydrogel-Microsphere Construct with Sequential Degradation for Locally Synergistic Chemotherapy. ACS Applied Materials, Interfaces. 9 (4), 3487-3496 (2017).
  26. Fernández de la Mora, J. The Fluid Dynamics of Taylor Cones. Annual Review of Fluid Mechanics. 39 (1), 217-243 (2006).
  27. Hsiao, A. Y., et al. Smooth muscle-like tissue constructs with circumferentially oriented cells formed by the cell fiber technology. PLoS ONE. 10, 0119010 (2015).
  28. Meng, Z. J., et al. Microfluidic generation of hollow Ca-alginate microfibers. Lab on a Chip. 16 (14), 2673-2681 (2016).
  29. Peng, L., Liu, Y., Gong, J., Zhang, K., Ma, J. Continuous fabrication of multi-stimuli responsive graphene oxide composite hydrogel fibres by microfluidics. RSC Advances. 7 (31), 19243-19249 (2017).
  30. Sugimoto, M., et al. Micropassage-embedding composite hydrogel fibers enable quantitative evaluation of cancer cell invasion under 3D coculture conditions. Lab on a Chip. 18 (9), 1378-1387 (2018).
  31. 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).
  32. Gao, G., et al. Tissue engineered bio-blood-vessels constructed using a tissue-specific bioink and 3D coaxial cell printing technique: a novel therapy for ischemic disease. Advanced Functional Materials. 27 (33), 1700798 (2017).

Play Video

Citazione di questo articolo
Xie, M., Yu, K., Sun, Y., Shao, L., Nie, J., Gao, Q., Qiu, J., Fu, J., Chen, Z., He, Y. Protocols of 3D Bioprinting of Gelatin Methacryloyl Hydrogel Based Bioinks. J. Vis. Exp. (154), e60545, doi:10.3791/60545 (2019).

View Video