Jelatin Metacryloyl Hidrojel Bazlı Bioinks 3D Biyobaskı Protokolleri
Summary
Burada sunulan jelatin metakril 3D biyobaskı için bir yöntemdir.
Abstract
Jelatin metakrilopil (GelMA) biyobaskı alanında popüler bir biyomalzeme haline gelmiştir. Bu malzemenin türevi jelatin, hangi memeli kollajen hidrolize edilir. Böylece, arginin-glisin-aspartik asit (RGD) dizileri ve matris metalloproteinaz hedef motifleri (MMP) hücre eki ve bozulma elde yardımcı moleküler zincirleri üzerinde kalır. Ayrıca GelMA’nın oluşum özellikleri çok yönlüdür. Methacrylamid grupları bir materyalin bir fotobaşlatıcının varlığında ışık Radyasyonu altında hızla çapraz bağlanmasına izin verir. Bu nedenle, bu umut verici malzeme ile üç boyutlu (3D) yapıların sentezlemek için uygun yöntemler kurmak için büyük mantıklı. Ancak, düşük viskozitesi GelMA’nın yazdırılabilirliğini kısıtlar. Burada Sunulan yöntemler GelMA hidrojellerin 3D biyobaskı yürütmek için, yani GelMA mikroküreler, GelMA lifleri, GelMA karmaşık yapılar ve GelMA tabanlı mikroakışkan yongaları imalatı. Ortaya çıkan yapılar ve malzemelerin biyouyumluluğu ve baskı yöntemleri tartışılmıştır. Bu protokolün daha önce uygulanan biyomalzemeler ve GelMA arasında bir köprü görevi görebileceğine ve biyomedikal uygulamalar için GelMA tabanlı 3D mimarilerin kurulmasına katkıda bulunabileceğine inanılmaktadır.
Introduction
Hidrojellerin biyofabrikasyon alanında uygun bir malzeme olduğu düşünülmektedir1,2,3,4. Bunlar arasında, jelatin metakrilopil (GelMA) en çok yönlü biyomalzemelerden biri haline gelmiştir, başlangıçta Van Den Bulcke ve ark.5tarafından 2000 yılında önerilen . GelMA metakrilik anhidrit (MA) ile jelatin doğrudan reaksiyon uğrama ile sentezlenir. Memeli kollajen tarafından hidrolize edilen jelatin, matris metalloproteinaz (MMP) hedef motiflerinden oluşur. Böylece, In vitro üç boyutlu (3D) doku modelleri GelMA tarafından kurulan ideal olarak hücre ve ekstrasellüler matriks arasındaki etkileşimleri taklit edebilir (ECM) in vivo. Ayrıca aljinat gibi diğer bazı hidrojellerde bulunmayan arginin-glisin-aspartik asit (RGD) dizileri GelMA’nın moleküler zincirlerinde kalır. Bu mümkün hidrojel ağları içinde kapsüllü hücrelerin eki gerçekleştirmek için yapar6. Ayrıca, GelMA oluşumu yeteneği umut vericidir. GelMA moleküler zincirlerindeki methacrylamid grupları hafif reaksiyon koşullarında fotobaşlatıcı ile reaksiyona girer ve ışık ışınlanmasına maruz kalındığında kovalent bağlar oluştururlar. Bu nedenle, yazdırılan yapılar, tasarlanan şekilleri basit bir şekilde korumak için hızla çapraz bağlanabilir.
Bu özelliklere dayanarak, doku mühendisliği, temel sitoloji analizi, ilaç taraması ve biyosensing gibi çeşitli uygulamaları yürütmek için bir dizi alan GelMA kullanır. Buna göre, çeşitli üretim stratejileri de7,8,9,10,11,12,13,14gösterilmiştir . Ancak, hala gelma dayalı 3D biyobaskı yürütmek için zor, hangi temel özellikleri nedeniyle. GelMA ısıya duyarlı bir malzemedir. Baskı işlemi sırasında, biyoink fiziksel durumunu korumak için baskı atmosferinin sıcaklığı sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir. Ayrıca, GelMA viskozitesi genellikle diğer ortak hidrojellere göre daha düşüktür (yani, aljinat, kitosan, hyaluronik asit, vb.). Ancak, bu malzeme15ile 3D mimarileri inşa ederken diğer engellerle karşı karşıyayız.
Bu makalede, laboratuarımız tarafından önerilen GelMA’nın 3Boyutlu biyobaskısı için çeşitli yaklaşımlar özetlenir ve basılı numuneler (örneğin, GelMA mikrokürelerinin sentezi, GelMA lifleri, GelMA karmaşık yapıları ve GelMA tabanlı mikroakışkan yongalar) açıklanmaktadır. Her yöntem özel işlevleri vardır ve farklı gereksinimleri ile farklı durumlarda kabul edilebilir. GelMA mikroküreler damlacık boyutunu küçültmek için ekstra dış elektrik kuvveti oluşturan bir elektrodestekli modül tarafından oluşturulur. GelMA lifleri açısından, viskoz sodyum aljinat yardımı ile koaksiyel biyobaskı meme tarafından ekstrüzyon vardır. Buna ek olarak, karmaşık 3D yapıların kurulması bir dijital ışık işleme (DLP) biyoyazıcı ile elde edilir. Son olarak, gelma hidrojel ve geleneksel mikroakışkan yongaları birleştirerek, GelMA tabanlı mikroakışkan yongaları oluşturmak için iki kez crosslinking stratejisi önerilmektedir. Bu protokolün laboratuarımızda kullanılan GelMA biyobaskı stratejilerinin önemli bir özeti olduğuna ve göreceli alanlardaki diğer araştırmacılara ilham kaynağı olabileceğine inanılmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede, GelMA 3D yapıları, yani GelMA mikroküreler, GelMA lifleri, GelMA karmaşık yapıları ve GelMA tabanlı mikroakışkan yongaları imal etmek için çeşitli stratejiler açıklanmaktadır. GelMA umut verici biyouyumluluk ve oluşum yeteneğine sahiptir ve biyofabrikasyon alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrosfer yapıları kontrollü ilaç salınımı için uygundur, doku culturing, ve daha fazla tedavi için organizmalar içine enjeksiyon21,<sup class="xre…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı (2018YFA0703000), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No.U1609207, 81827804), Ulusal Doğa Bilimleri Yaratıcı Araştırma Grupları Bilim Fonu tarafından desteklenmiştir. Çin Vakfı (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).
