ゼラチンメタクリロイルヒドロゲルベースバイオインクの3Dバイオプリンティングのプロトコル
Summary
ここで提示するゼラチンメタクリロイルの3Dバイオプリンティングのための方法である。
Abstract
ゼラチンメタクリロイル(GelMA)は、バイオプリンティングの分野で人気の生体材料となっています。この物質の導出はゼラチンであり、哺乳動物のコラーゲンから加水分解される。したがって、アルギニン-グリシンアスパラギン酸(RGD)配列およびマトリックスメタロプロテイナーゼ(MMP)の標的モチーフは分子鎖上に残り、細胞の付着および分解を達成するのに役立ちます。さらに、ゲルマの形成特性は汎用性が高い。メタクリルアミド基は、光開始剤の存在下で光照射下で物質が急速に架橋することを可能にする。したがって、この有望な材料と三次元(3D)構造を合成するための適切な方法を確立することは非常に理にかなっています。しかし、その低粘度はGelMAの印刷性を制限する。ここで提示するゲルマヒドロゲルの3Dバイオプリンティング、すなわちゲルマ微小球、ゲルマ繊維、ゲルマ錯体構造、およびゲルマベースのマイクロ流体チップの製造を行う方法を示します。得られた材料の構造と生体適合性、ならびに印刷方法について議論する。このプロトコルは、以前に適用された生体材料とGelMAとの間の橋渡し役となり、生物医学用途向けのGelMAベースの3Dアーキテクチャの確立に貢献できると考えられています。
Introduction
ヒドロゲルは、生体加工1、2、3、4の分野において適した材料であると考えられている。中でも、ゼラチンメタクリロイル(GelMA)は、最も汎用性の高い生体材料の一つとなっており、当初はヴァンデンブルッケら5によって2000年に提案された。ゲルマは、無水メタルジド(MA)とゼラチンの直接反応によって合成される。哺乳動物コラーゲンによって加水分解されるゼラチンは、マトリックスメタロプロテイナーゼ(MMP)の標的モチーフから構成される。したがって、GelMAによって確立されたインビトロ3次元(3D)組織モデルは、生体内の細胞と細胞外マトリックス(ECM)との相互作用を理想的に模倣することができる。さらに、アルギニン-グリシンアスパラギン酸(RGD)配列は、アルギン酸塩などの他のいくつかのヒドロゲルに存在しないが、GelMAの分子鎖上に残る。これにより、ヒドロゲルネットワーク6内の封入された細胞の付着を実現することができる。さらに、GelMAの形成能力は有望である。GelMA分子鎖上のメタクリルアミド基は、軽度の反応条件下でフォトイエーターと反応し、光照射への曝露時に共有結合を形成する。したがって、印刷された構造を迅速に架橋して、設計された形状を簡単な方法で維持することができます。
これらの特性に基づき、一連の分野ではGelMAを活用して、組織工学、基礎細胞学解析、薬物スクリーニング、バイオセンシングなど、さまざまな用途を行っています。従って、様々な製造戦略も実証されている7、8、9、10、11、12、13、14である。しかし、その根本的な特性に起因するGelMAに基づく3Dバイオプリンティングの実行は依然として困難です。ゲルマは温度に敏感な材料です。印刷プロセス中、バイオインクの物理的状態を維持するために印刷雰囲気の温度を厳密に制御する必要があります。また、GelMAの粘度は、一般に他の一般的なヒドロゲル(すなわち、アルギン酸塩、キトサン、ヒアルロン酸など)よりも低い。しかし、この材料15で3Dアーキテクチャを構築する際に他の障害に直面しています。
本稿では、本研究室が提案するGelMAの3Dバイオプリンティングに対するいくつかのアプローチをまとめ、印刷されたサンプル(すなわち、GelMA微小球、GelMA繊維、GelMA複合構造、およびゲルマベースのマイクロ流体チップの合成)について説明します。各方法には特殊な機能があり、要件の異なる状況で採用できます。GelMAマイクロスフィアは、液滴サイズを縮小するために余分な外部電気力を形成する電気支援モジュールによって生成されます。ゲルマ繊維の面では、それらは粘性アルギン酸ナトリウムの助けを借りて同軸バイオプリンティングノズルによって押し出される。さらに、複雑な3D構造の確立は、デジタル光処理(DLP)バイオプリンターで達成されます。最後に、GelMAハイドロゲルと従来のマイクロ流体チップを組み合わせたGelMAベースのマイクロ流体チップを構築する2回の架橋戦略が提案されています。このプロトコルは、私たちの研究室で使用されるGelMAバイオプリンティング戦略の重要な要約であり、相対的な分野で他の研究者を刺激する可能性があると考えられています.
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事では、GelMA 3D構造、すなわちGelMAマイクロスフィア、GelMA繊維、GelMA複合構造、およびGelMAベースのマイクロ流体チップを製造するためのいくつかの戦略について説明します。GelMAは有望な生体適合性および形成能力を有し、生物加工の分野で広く使用されている。微小球構造は、制御薬物放出、組織培養、およびさらなる治療のための生物への注入に適している21、22、23、24、25。<sup c…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、中国国家主要研究開発プログラム(2018YFA0703000)、中国国立自然科学財団(No.U1609207、81827804)、国立自然科学創造研究グループ科学基金が主催しました。中国の財団(第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).
