Protokolle des 3D-Bioprintings von Gelatine Methacryloyl Hydrogel-basierten Bioinks
Summary
Präsentiert hier ist eine Methode für den 3D-Bioprinting von Gelatine Methacryloyl.
Abstract
Gelatine Methacryloyl (GelMA) hat sich zu einem beliebten Biomaterial auf dem Gebiet des Bioprintings. Die Ableitung dieses Materials ist Gelatine, die aus Säugetierkollagen hydrolysiert wird. So verbleiben die Arginin-Glyin-Aspartinsäure(RGD)-Sequenzen und Zielmotive der Matrix-Metalloproteinase (MMP) auf den molekülen Ketten, die zur Zellbindung und -degradierung beitragen. Darüber hinaus sind die Formationseigenschaften von GelMA vielseitig. Die Methacrylamid-Gruppen ermöglichen es, dass ein Material unter Lichtbestrahlung in Gegenwart eines Photoinitiators schnell vernetzt wird. Daher ist es sinnvoll, geeignete Methoden zur Synthese dreidimensionaler (3D) Strukturen mit diesem vielversprechenden Material zu etablieren. Die geringe Viskosität schränkt jedoch die Bedruckbarkeit von GelMA ein. Hier werden Methoden zum 3D-Bioprinting von GelMA-Hydrogelen vorgestellt, nämlich die Herstellung von GelMA-Mikrosphären, GelMA-Fasern, GelMA-Komplexstrukturen und Mikrofluidchips auf GelMA-Basis. Die daraus resultierenden Strukturen und die Biokompatibilität der Materialien sowie die Druckverfahren werden diskutiert. Es wird angenommen, dass dieses Protokoll als Brücke zwischen zuvor verwendeten Biomaterialien und GelMA dienen und zur Etablierung von GelMA-basierten 3D-Architekturen für biomedizinische Anwendungen beitragen kann.
Introduction
Hydrogele gelten als geeignetes Material im Bereich der Biofabrikation1,2,3,4. Unter ihnen ist Gelatine Methacryloyl (GelMA) zu einem der vielseitigsten Biomaterialien geworden, ursprünglich im Jahr 2000 von Van Den Bulcke et al.5vorgeschlagen. GelMA wird durch die direkte Reaktion von Gelatine mit Methacrylanhydrid (MA) synthetisiert. Die Gelatine, die vom Säugetierkollagen hydrolysiert wird, besteht aus Zielmotiven der Matrix-Metalloproteinase (MMP). So können von GelMA erstellte dreidimensionale (3D) Gewebemodelle in vitro idealerweise die Wechselwirkungen zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix (ECM) in vivo imitieren. Darüber hinaus verbleiben Arginin-Glycin-Aspartinsäure (RGD)-Sequenzen, die in einigen anderen Hydrogelen wie Alginaten fehlen, auf den molekularen Ketten von GelMA. Dadurch ist es möglich, die Befestigung von gekapselten Zellen innerhalb der Hydrogelnetze zu realisieren6. Darüber hinaus ist die Formationsfähigkeit von GelMA vielversprechend. Die Methacrylamid-Gruppen auf den GelMA-Molekularketten reagieren mit dem Photoinitiator unter milden Reaktionsbedingungen und bilden bei Lichtbestrahlung kovalente Bindungen. Daher können die gedruckten Strukturen schnell vernetzt werden, um die entworfenen Formen auf einfache Weise zu erhalten.
Basierend auf diesen Eigenschaften, eine Reihe von Bereichen verwenden GelMA, um verschiedene Anwendungen durchzuführen, wie Tissue-Engineering, grundlegende Zytologie-Analyse, Arzneimittel-Screening, und Biosensing. Dementsprechend wurden auch verschiedene Fertigungsstrategien7,8,9,10,11,12,13,14gezeigt. Es ist jedoch immer noch eine Herausforderung, 3D-Bioprinting auf Basis von GelMA durchzuführen, was auf seine grundlegenden Eigenschaften zurückzuführen ist. GelMA ist ein temperaturempfindliches Material. Während des Druckprozesses muss die Temperatur der Druckatmosphäre streng kontrolliert werden, um den physikalischen Zustand des Bioinks aufrechtzuerhalten. Außerdem ist die Viskosität von GelMA im Allgemeinen niedriger als bei anderen gängigen Hydrogelen (d. h. Alginat, Chitosan, Hyaluronsäure usw.). Beim Bau von 3D-Architekturen mit diesem Material15stehen jedoch andere Hindernisse auf dem Spiel.
Dieser Artikel fasst mehrere Ansätze für den von unserem Labor vorgeschlagenen 3D-Bioprinting von GelMA zusammen und beschreibt die gedruckten Proben (d. h. die Synthese von GelMA-Mikrosphären, GelMA-Fasern, GelMA-Komplexstrukturen und GelMA-basierten mikrofluidischen Chips). Jede Methode hat spezielle Funktionen und kann in unterschiedlichen Situationen mit unterschiedlichen Anforderungen übernommen werden. GelMA-Mikrosphären werden durch ein elektrogestütztes Modul erzeugt, das zusätzliche externe elektrische Kraft bildet, um die Tröpfchengröße zu verkleinern. In Bezug auf GelMA-Fasern werden sie durch eine koaxiale Bioprinting-Düse mit Hilfe von viskosem Natriumalginat extrudiert. Darüber hinaus wird der Aufbau komplexer 3D-Strukturen mit einem Digital Light Processing (DLP) Bioprinter erreicht. Schließlich wird eine zweimalige Vernetzungsstrategie vorgeschlagen, um Mikrofluidchips auf GelMA-Basis zu bauen, die GelMA-Hydrogel und traditionelle mikrofluidische Chips kombinieren. Es wird angenommen, dass dieses Protokoll eine signifikante Zusammenfassung der GelMA Bioprinting-Strategien in unserem Labor verwendet und kann andere Forscher in relativen Bereichen inspirieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel beschreibt mehrere Strategien zur Herstellung von GelMA 3D-Strukturen, nämlich GelMA-Mikrosphären, GelMA-Fasern, GelMA-komplexe Strukturen und Mikrofluidchips auf GelMA-Basis. GelMA verfügt über vielversprechende Biokompatibilitäts- und Formationsfähigkeit und ist im Bereich der Biofertigung weit verbreitet. Mikrosphärenstrukturen eignen sich für kontrollierte Wirkstofffreisetzung, Gewebekultivierung und Injektion in Organismen zur weiteren Therapie21,<sup class="…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde gefördert vom National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703000), der National Nature Science Foundation of China (No.U1609207, 81827804), dem Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Gründung Chinas (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 |
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