Protocolos de bioimpressão 3D de bioinks baseados em hidrogel de gelatina
Summary
Apresentado aqui é um método para a bioimpressão 3D de gelatina methacriloyl.
Abstract
Gelatina methacriloyl (GelMA) tornou-se um biomaterial popular no campo da bioimpressão. A derivação deste material é a gelatina, que é hidrolisada do colágeno mamífero. Assim, as sequências de ácido arginina-glicina-aspartic (DRg) e motivos-alvo da metaloproteinase matriz (MMP) permanecem nas cadeias moleculares, que ajudam a alcançar o apego e degradação celular. Além disso, as propriedades de formação da GelMA são versáteis. Os grupos de metionlamia permitem que um material se torne rapidamente cruzado irradiação leve na presença de um fotoiniciador. Portanto, faz muito sentido estabelecer métodos adequados para sintetizar estruturas tridimensionais (3D) com este material promissor. No entanto, sua baixa viscosidade restringe a capacidade de impressão da GelMA. Aqui são apresentados métodos para realizar bioimpressão 3D de hidrogéis GelMA, ou seja, a fabricação de microesferas GelMA, fibras GelMA, estruturas complexas GelMA e chips microfluídicos à base de GelMA. As estruturas resultantes e a biocompatibilidade dos materiais, bem como os métodos de impressão, são discutidas. Acredita-se que este protocolo pode servir como uma ponte entre biomateriais previamente aplicados e GelMA, bem como contribuir para a criação de arquiteturas 3D baseadas em GelMA para aplicações biomédicas.
Introduction
Acredita-se que os hidrogéis sejam um material adequado no campo da biofabricação1,2,3,4. Entre eles, a gelatina methacriloyl (GelMA) tornou-se um dos biomateriais mais versáteis, inicialmente proposto s em 2000 por Van Den Bulcke et al.5. GelMA é sintetizado pela reação direta da gelatina com anidrido glicílico (MA). A gelatina, que é hidrolisada pelo colágeno mamífero, é composta por motivos-alvo da matriz metaloproteinase (MMP). Assim, os modelos de tecidos tridimensionais in vitro (3D) estabelecidos pela GelMA podem idealmente imitar as interações entre células e matriz extracelular (ECM) in vivo. Além disso, as sequências de ácido arginina-glicina-aspartic (DRg), que estão ausentes em alguns outros hidrogéis, como alginatos, permanecem nas cadeias moleculares do GelMA. Isso torna possível perceber o anexo de células encapsuladas dentro das redes de hidrogel6. Além disso, a capacidade de formação da GelMA é promissora. Os grupos de metionlamia nas cadeias moleculares GelMA reagem com o fotoiniciador condições de reação leve e formam laços covalentes após a exposição à irradiação luminosa. Portanto, as estruturas impressas podem ser rapidamente cruzadas para manter as formas projetadas de uma maneira simples.
Com base nessas propriedades, uma série de campos utiliza o GelMA para realizar várias aplicações, como engenharia de tecidos, análise básica de citologia, triagem de medicamentos e biosensoriamento. Assim, várias estratégias de fabricação também foram demonstradas7,8,9,10,11,12,13,14. No entanto, ainda é um desafio realizar bioimpressão 3D com base no GelMA, que se deve às suas propriedades fundamentais. GelMA é um material sensível à temperatura. Durante o processo de impressão, a temperatura da atmosfera de impressão tem que ser estritamente controlada, a fim de manter o estado físico do bioink. Além disso, a viscosidade do GelMA é geralmente menor do que outros hidrogéis comuns (ou seja, alginato, quitosana, ácido hialurônico, etc.). No entanto, outros obstáculos são enfrentados ao construir arquiteturas 3D com este material15.
Este artigo resume várias abordagens para a bioimpressão 3D de GelMA proposta pelo nosso laboratório e descreve as amostras impressas (ou seja, a síntese de microesferas GelMA, fibras GelMA, estruturas complexas gelma e chips microfluidos à base de GelMA). Cada método tem funções especializadas e pode ser adotado em diferentes situações com diferentes requisitos. As microesferas GelMA são geradas por um módulo eletroassistido, que forma força elétrica externa extra para diminuir o tamanho das gotículas. Em termos de fibras GelMA, elas são extrucadas por um bico de bioimpressão coaxial com a ajuda de alginato de sódio viscoso. Além disso, o estabelecimento de estruturas 3D complexas é alcançado com um bioprinter de processamento de luz digital (DLP). Finalmente, propõe-se uma estratégia de cruzamento duas vezes para construir chips microfluídicos à base de GelMA, combinando hidrogel GelMA e chips microfluídicos tradicionais. Acredita-se que este protocolo é um resumo significativo das estratégias de bioimpressão GelMA usadas em nosso laboratório e pode inspirar outros pesquisadores em campos relativos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artigo descreve várias estratégias para fabricar estruturas 3D GelMA, ou seja, microesferas GelMA, fibras GelMA, estruturas complexas GelMA e chips microfluídicos à base de GelMA. A GelMA tem capacidade promissora de biocompatibilidade e formação e é amplamente utilizada no campo da biofabricação. As estruturas da microsfera são adequadas para liberação controlada de medicamentos, cultivo de tecidos e injeção em organismos para terapia adicional21,22…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi patrocinado pelo National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703000), a National Nature Science Foundation of China (No.U1609207, 81827804), o Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Fundação da China (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 |
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).
