Protocoles de bioimpression 3D de Gelatin Methacryloyl Hydrogel Bioinks
Summary
Présenté ici est une méthode pour la bioimpression 3D de la gélatine methacryloyl.
Abstract
Gelatin methacryloyl (GelMA) est devenu un biomatériau populaire dans le domaine de la bioimpression. La dérivation de ce matériau est la gélatine, qui est hydrolysée à partir de collagène de mammifère. Ainsi, les séquences d’acide arginine-glycine-aspartique (RGD) et les motifs cibles de la matrice metalloproteinase (MMP) restent sur les chaînes moléculaires, qui aident à atteindre l’attachement cellulaire et la dégradation. En outre, les propriétés de formation de GelMA sont polyvalentes. Les groupes de methacrylamide permettent à un matériau de se croiser rapidement sous l’irradiation de la lumière en présence d’un photoinitiateur. Par conséquent, il est très logique d’établir des méthodes appropriées pour synthétiser les structures tridimensionnelles (3D) avec ce matériau prometteur. Cependant, sa faible viscosité limite l’imprimabilité de GelMA. Présentés ici sont des méthodes pour effectuer la bioimpression 3D des hydrogels GelMA, à savoir la fabrication de microsphères GelMA, fibres GelMA, structures complexes GelMA, et gelMA à base de puces microfluidiques. Les structures résultantes et la biocompatibilité des matériaux ainsi que les méthodes d’impression sont discutées. On croit que ce protocole peut servir de pont entre les biomatériaux précédemment appliqués et GelMA ainsi que de contribuer à l’établissement d’architectures 3D basées sur GelMA pour des applications biomédicales.
Introduction
Hydrogels sont considérés comme un matériau approprié dans le domaine de la biofabrication1,2,3,4. Parmi eux, la gélatine methacryloyl (GelMA) est devenue l’un des biomatériaux les plus polyvalents, initialement proposé en 2000 par Van Den Bulcke et al.,5. GelMA est synthétisé par la réaction directe de la gélatine avec l’anhydride methacrylique (MA). La gélatine, qui est hydrolysée par le collagène de mammifère, est composée de motifs cibles de matrice de metalloproteinase (MMP). Ainsi, les modèles de tissus tridimensionnels in vitro (3D) établis par GelMA peuvent idéalement imiter les interactions entre les cellules et la matrice extracellulaire (ECM) in vivo. En outre, les séquences d’acide arginine-glycine-aspartique (RGD), qui sont absentes dans certains autres hydrogels tels que les alginates, restent sur les chaînes moléculaires de GelMA. Cela permet de réaliser l’attachement des cellules encapsulées à l’intérieur des réseaux hydrogel6. En outre, la capacité de formation de GelMA est prometteuse. Les groupes de methacrylamide sur les chaînes moléculaires de GelMA réagissent avec le photoinitiateur dans des conditions de réaction douces et forment des liaisons covalentes lors de l’exposition à l’irradiation légère. Par conséquent, les structures imprimées peuvent être rapidement reliées entre elles pour maintenir les formes conçues d’une manière simple.
Sur la base de ces propriétés, une série de champs utilisent GelMA pour effectuer diverses applications, telles que l’ingénierie tissulaire, l’analyse cytologique de base, le dépistage des médicaments et la biodétection. En conséquence, diverses stratégies de fabrication ont également été démontrées7,8,9,10,11,12,13,14. Cependant, il est encore difficile de réaliser la bioimpression 3D basée sur GelMA, qui est due à ses propriétés fondamentales. Le GelMA est un matériau sensible à la température. Pendant le processus d’impression, la température de l’atmosphère d’impression doit être strictement contrôlée afin de maintenir l’état physique du bioink. En outre, la viscosité de GelMA est généralement plus faible que d’autres hydrogels communs (c.-à-d., alginate, chitosan, acide hyaluronique, etc.). Cependant, d’autres obstacles sont rencontrés lors de la construction d’architectures 3D avec ce matériau15.
Cet article résume plusieurs approches pour la bioimpression 3D de GelMA proposée par notre laboratoire et décrit les échantillons imprimés (c.-à-d., la synthèse des microsphères GelMA, des fibres DeGelMA, des structures complexes GelMA et des puces microfluidiques à base de GelMA). Chaque méthode a des fonctions spécialisées et peut être adoptée dans des situations différentes avec des exigences différentes. Les microsphères GelMA sont générées par un module électro-assisté, qui forme une force électrique externe supplémentaire pour réduire la taille des gouttelettes. En termes de fibres GelMA, ils sont extrudés par une buse coaxiale bioimpression à l’aide d’alginate visqueux de sodium. En outre, l’établissement de structures 3D complexes est réalisé avec un bioimprimeur numérique de traitement de lumière (DLP). Enfin, une stratégie de liaison croisée à deux reprises est proposée pour construire des puces microfluidiques à base de GelMA, combinant l’hydrogel GelMA et les puces microfluidiques traditionnelles. On croit que ce protocole est un résumé significatif des stratégies de bioimpression GelMA utilisées dans notre laboratoire et peut inspirer d’autres chercheurs dans des domaines relatifs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article décrit plusieurs stratégies pour fabriquer des structures 3D de GelMA, à savoir des microsphères de GelMA, des fibres de GelMA, des structures complexes de GelMA, et des puces microfluidiques GelMA-basées. GelMA a une capacité prometteuse de biocompatibilité et de formation et est largement utilisé dans le domaine de la biofabrication. Les structures de microsphère conviennent à la libération contrôlée de drogue, à la culture de tissu, et à l’injection dans des organismes pour la thérapie plus…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été parrainé par le National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703000), la National Nature Science Foundation of China (No.U1609207, 81827804), le Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Fondation de la Chine (No. 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 |
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