Protocolos de Bioimpresión 3D de Bioinks basados en Gelatin Methacryloyl Hydrogel
Summary
Aquí se presenta un método para la bioimpresión 3D de gelatina metacriloyl.
Abstract
Gelatin methacryloyl (GelMA) se ha convertido en un biomaterial popular en el campo de la bioimpresión. La derivación de este material es gelatina, que se hidroliza a partir de colágeno de mamíferos. Por lo tanto, las secuencias de ácido arginina-glicina-aspártico (RGD) y los motivos diana de la matriz metaloproteinasa (MMP) permanecen en las cadenas moleculares, que ayudan a lograr la unión celular y la degradación. Además, las propiedades de formación de GelMA son versátiles. Los grupos de metacrilamida permiten que un material se retrete rápidamente bajo la irradiación de luz en presencia de un fotoiniciador. Por lo tanto, tiene mucho sentido establecer métodos adecuados para sintetizar estructuras tridimensionales (3D) con este material prometedor. Sin embargo, su baja viscosidad restringe la imprimibilidad de GelMA. Aquí se presentan métodos para llevar a cabo la bioimpresión 3D de hidrogeles GelMA, a saber, la fabricación de microesferas GelMA, fibras GelMA, estructuras complejas GelMA y chips microfluídicos basados en GelMA. Se discuten las estructuras resultantes y la biocompatibilidad de los materiales, así como los métodos de impresión. Se cree que este protocolo puede servir de puente entre los biomateriales aplicados previamente y GelMA, así como contribuir al establecimiento de arquitecturas 3D basadas en GelMA para aplicaciones biomédicas.
Introduction
Se cree que los hidrogeles son un material adecuado en el campo de la biofabricación1,2,3,4. Entre ellos, la gelatina de metacriloyl (GelMA) se ha convertido en uno de los biomateriales más versátiles, propuesto inicialmente en 2000 por Van Den Bulcke et al.5. GelMA se sintetiza por la reacción directa de gelatina con anhídrido metacrílico (MA). La gelatina, hidrolizada por el colágeno mamífero, se compone de motivos diana de la matriz metaloproteinasa (MMP). Por lo tanto, los modelos de tejido tridimensional in vitro (3D) establecidos por GelMA pueden imitar idealmente las interacciones entre las células y la matriz extracelular (ECM) in vivo. Además, secuencias de ácido arginina-glicina-aspártico (RGD), que están ausentes en algunos otros hidrogeles como alginatos, permanecen en las cadenas moleculares de GelMA. Esto hace posible la fijación de células encapsuladas dentro de las redes de hidrogel6. Además, la capacidad de formación de GelMA es prometedora. Los grupos de metacrilamida en las cadenas moleculares GelMA reaccionan con el fotoiniciador en condiciones de reacción leves y forman enlaces covalentes al exponerse a la irradiación de luz. Por lo tanto, las estructuras impresas se pueden recruzar rápidamente para mantener las formas diseñadas de una manera sencilla.
Sobre la base de estas propiedades, una serie de campos utilizan GelMA para llevar a cabo diversas aplicaciones, tales como ingeniería de tejidos, análisis de citología básica, detección de drogas, y el bioensing. En consecuencia, también se han demostrado varias estrategias de fabricación7,8,9,10,11,12,13,14. Sin embargo, sigue siendo difícil llevar a cabo la bioimpresión 3D basada en GelMA, que se debe a sus propiedades fundamentales. GelMA es un material sensible a la temperatura. Durante el proceso de impresión, la temperatura de la atmósfera de impresión debe ser estrictamente controlada para mantener el estado físico del biotinta. Además, la viscosidad de GelMA es generalmente menor que otros hidrogeles comunes (es decir, alginato, quitosano, ácido hialurónico, etc.). Sin embargo, otros obstáculos se enfrentan al construir arquitecturas 3D con este material15.
Este artículo resume varios enfoques para la bioimpresión 3D de GelMA propuestos por nuestro laboratorio y describe las muestras impresas (es decir, la síntesis de microesferas GelMA, fibras GelMA, estructuras complejas de GelMA y chips microfluídicos basados en GelMA). Cada método tiene funciones especializadas y se puede adoptar en diferentes situaciones con diferentes requisitos. Las microesferas GelMA son generadas por un módulo electroasistido, que forma una fuerza eléctrica externa adicional para reducir el tamaño de las gotas. En términos de fibras GelMA, son extruidas por una boquilla de bioimpresión coaxial con la ayuda de alginato de sodio viscoso. Además, el establecimiento de estructuras 3D complejas se logra con una bioimpresora de procesamiento de luz digital (DLP). Por último, se propone una estrategia de reticulación dos veces para construir chips microfluídicos basados en GelMA, combinando hidrogel GelMA y chips microfluídicos tradicionales. Se cree que este protocolo es un resumen significativo de las estrategias de bioimpresión GelMA utilizadas en nuestro laboratorio y puede inspirar a otros investigadores en campos relativos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artículo describe varias estrategias para fabricar estructuras GelMA 3D, a saber, microesferas GelMA, fibras GelMA, estructuras complejas GelMA y chips microfluídicos basados en GelMA. GelMA tiene una capacidad de biocompatibilidad y formación prometedora y es ampliamente utilizado en el campo de la biofabricación. Las estructuras de la microesfera son adecuadas para la liberación controlada de fármacos, el cultivo de tejidos y la inyección en organismos para la terapia posterior21,<su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue patrocinado por el Programa Nacional De Investigación y Desarrollo Clave de China (2018YFA0703000), la National Nature Science Foundation of China (No.U1609207, 81827804), el Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Fundación 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 |
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