פרוטוקולים של 3D ביוריטינג ג'לטין הידרוג'ל מבוסס-דיו
Summary
המוצג כאן הוא שיטה עבור ביופסיה 3D של ג’לטין מתיאקריל.
Abstract
מתיונין ג’לטין (GelMA) הפך להיות ברמה פופולרית בתחום הביוגלוטינג. הנגזרת של חומר זה הוא ג’לטין, אשר הידרוליזה מ יונק הקולגן. ולכן, מוטיבים של ארגיטין-גליצין-אספפטיק (RGD) והמוטיבים המטרה של מטריקס מטאלופרוטאז (MMP) נשארים על הרשתות המולקולריות, המסייעות להשיג את הקבצים המצורפים והשפלה. יתר על כן, תכונות היווצרות של GelMA הם צדדי. קבוצות התיאקרילאמיד מאפשרות לחומר להיות מחובר במהירות באמצעות הקרנה קלה בנוכחות פוטויזם. לכן, זה הגיוני מאוד להקים שיטות מתאימות לסינתזה תלת מימדי (3D) מבנים עם החומר הזה מבטיח. עם זאת, צמיגות נמוכה מגבילה את ההדפסה של GelMA. המוצגים כאן הם שיטות לביצוע הביוביטינג 3D של GelMA הידרוג, כלומר הייצור של מיקרוספירות GelMA, סיבי GelMA, מבנים מורכבים GelMA, ו-GelMA מבוססי שבבי מיקרופלואידיג. המבנים המתקבלים והביותאימות של החומרים, כמו גם שיטות ההדפסה נדונים. הוא האמין כי פרוטוקול זה עשוי לשמש גשר בין הסמנים שהוחלו קודם לכן GelMA, כמו גם לתרום הקמתה של מבוססי GelMA ארכיטקטורות תלת-ממד עבור יישומים ביו.
Introduction
הידרולים נחשבים לחומר מתאים בתחום הביואבריאציה1,2,3,4. ביניהם, הג מתיונין (GelMA) הפך לאחד הסמנים המגוונים ביותר, הציע בתחילה ב 2000 על ידי ואן דן בולק ואח ‘5. GelMA מסונתז על ידי תגובה ישירה של ג’לטין עם מתיונין אנהידריד (MA). הג, שהוא ידרוליזה על ידי הקולגן יונק, מורכב מוטיבים היעד של מטריקס מטפרוטאינאז (mmp). כך, באופן מתורבת תלת מימדי (3D) רקמה מודלים שהוקמה על ידי GelMA יכול בצורה אידיאלית לחקות את האינטראקציות בין תאים מטריצה מגלונת (ECM) ב vivo. יתר על כן, arginine-גליצין-aspartic חומצה (RGD) רצפים, אשר נעדרים כמה הידרולים אחרים כגון alginates, להישאר על השרשראות המולקולריות של GelMA. זה מאפשר להגשים את ההחזקה של התאים המכוומים בתוך הרשתות ההידרוג’ל6. בנוסף, יכולת היווצרות של GelMA מבטיח. הקבוצות של מתיאקרילאמיד על הרשתות המולקולריות של GelMA מגיבים עם מאתחל התמונה בתנאי תגובה מתונים ויוצרים קשרים בעלי קשר עם חשיפה להקרנה קלה. לכן, המבנים המודפסים יכולים להיות מקושרים במהירות כדי לשמור על הצורות המתוכננות באופן פשוט.
בהתבסס על מאפיינים אלה, סדרה של שדות לנצל GelMA לבצע יישומים שונים, כגון הנדסת רקמות, ניתוח ציטולוגיה בסיסי, הקרנת תרופות, ביוחישה. בהתאם, אסטרטגיות ייצור שונות הוכחו גם7,8,9,10,11,12,13,14. עם זאת, הוא עדיין מאתגר לבצע ביוריטינג תלת-ממדי מבוסס על GelMA, אשר בשל תכונותיו הבסיסיות. GelMA הוא חומר רגיש לטמפרטורה. במהלך תהליך ההדפסה, הטמפרטורה של אווירת ההדפסה צריכה להיות נשלטת בקפדנות על מנת לשמור על המצב הפיזי של הביודיו. חוץ מזה, צמיגות של gelma הוא בדרך כלל נמוך יותר הידרוג’לים נפוצים אחרים (כלומר, alginate, chitosan, חומצה יאלורונית, וכו ‘). עם זאת, מכשולים אחרים מתמודדים כאשר בונים ארכיטקטורות תלת-ממד עם חומר זה15.
מאמר זה מסכם מספר גישות עבור ביופסיה תלת-ממדית של GelMA המוצעים על ידי המעבדה שלנו ומתארת את הדגימות המודפסות (כלומר, סינתזה של מיקרוספירות GelMA, סיבי GelMA, מבנים מורכבים GelMA, ושבבי מיקרופלואידיג מבוססי GelMA). כל שיטה יש פונקציות מיוחדות ניתן לאמץ במצבים שונים עם דרישות שונות. המיקרוספירות של GelMA נוצרות על ידי מודול חשמלי, היוצר כוח חשמל חיצוני נוסף כדי לכווץ את גודל ה-droplet. במונחים של סיבים GelMA, הם הבלטת ידי ביופסיה קואקסיאליים בעזרת זרבובית הנתרן הצמיגה. בנוסף, הקמתה של מבנים תלת ממדיים מורכבים מושגת עם עיבוד אור דיגיטלי (DLP) ביוריקטר. בסופו של דבר, האסטרטגיה פעמיים מקשרת מוצעת לבניית שבבי מיקרופלואידיג מבוססי GelMA, שילוב של GelMA הידרוג’ל ושבבי מיקרופלואידיג מסורתיים. הוא האמין כי פרוטוקול זה הוא סיכום משמעותי של האסטרטגיות GelMA הביוריטינג המשמשים במעבדה שלנו יכול לעורר חוקרים אחרים בתחומים יחסיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר מספר אסטרטגיות להרכיבו מבנים תלת-ממדיים של GelMA, כלומר מיקרוספירות GelMA, סיבי GelMA, מבנים מורכבים של GelMA ושבבי מיקרופלואידיג מבוססי-GelMA. GelMA מבטיחה את יכולת ההתאמה הביויולית והיווצרות ומשמשת רבות בתחום הביו-המבנה. מבנים microsphere מתאימים שחרור התרופה מבוקרת, רקמה culturing, והזרקה לתוך אור?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו הייתה בחסות תוכנית המחקר ופיתוח המפתח הלאומי של סין (2018YFA0703000), הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (No. U1609207, 81827804), קרן המדע עבור קבוצות מחקר יצירתי של המדע הטבעי הלאומי קרן סין (מס ‘ 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
- Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Van Den Bulcke, A. I., et al. Structural and Rheological Properties of Methacrylamide Modified Gelatin Hydrogels. Biomacromolecules. 1 (1), 31-38 (2000).
- 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).
- Gao, Q., et al. 3D printing of complex GelMA-based scaffolds with nanoclay. Biofabrication. 11 (3), 035006 (2019).
- 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).
- McBeth, C., et al. 3D bioprinting of GelMA scaffolds triggers mineral deposition by primary human osteoblasts. Biofabrication. 9 (1), 015009 (2017).
- Nie, J., et al. Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics. Small. 14 (45), 1802368 (2018).
- Shao, L., et al. Bioprinting of Cell-Laden Microfiber: Can It Become a Standard Product. Advanced Healthcare Materials. 8 (9), 1900014 (2019).
- Shao, L., et al. Fiber-Based Mini Tissue with Morphology-Controllable GelMA Microfibers. Small. 14 (44), 1802187 (2018).
- Xie, M., et al. Electro-Assisted Bioprinting of Low-Concentration GelMA Microdroplets. Small. 15 (4), 1804216 (2019).
- Yue, K., et al. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 73, 254-271 (2015).
- Schuurman, W., et al. Gelatin-Methacrylamide Hydrogels as Potential Biomaterials for Fabrication of Tissue-Engineered Cartilage Constructs. Macromolecular Bioscience. 13 (5), 551-561 (2013).
- Barbot, A., Decanini, D., Hwang, G. On-chip Microfluidic Multimodal Swimmer toward 3D Navigation. Scientific Reports. 6, 19041 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ren, K., Zhou, J., Wu, H. Materials for Microfluidic Chip Fabrication. Accounts of Chemical Research. 46 (11), 2396-2406 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zheng, Y., et al. Injectable Hydrogel-Microsphere Construct with Sequential Degradation for Locally Synergistic Chemotherapy. ACS Applied Materials, Interfaces. 9 (4), 3487-3496 (2017).
- Fernández de la Mora, J. The Fluid Dynamics of Taylor Cones. Annual Review of Fluid Mechanics. 39 (1), 217-243 (2006).
- 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).
- Meng, Z. J., et al. Microfluidic generation of hollow Ca-alginate microfibers. Lab on a Chip. 16 (14), 2673-2681 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
