Impresión 3D de microportadores de hidrogel in vitro mediante chorro de fuerza viscoso-inercial alternado
Summary
Aquí se presenta una técnica de impresión 3D suave impulsada por fuerzas viscosas-inerciales alternas para permitir la construcción de microportadores de hidrogel. Las boquillas caseras ofrecen flexibilidad, lo que permite un fácil reemplazo para diferentes materiales y diámetros. Se pueden obtener y recolectar microportadores de unión celular con un diámetro de 50-500 μm para su posterior cultivo.
Abstract
Los microportadores son perlas con un diámetro de 60-250 μm y una gran superficie específica, que se utilizan comúnmente como portadores para cultivos celulares a gran escala. La tecnología de cultivo de microportadores se ha convertido en una de las principales técnicas en la investigación citológica y se utiliza comúnmente en el campo de la expansión celular a gran escala. También se ha demostrado que los microportadores desempeñan un papel cada vez más importante en la construcción de ingeniería de tejidos in vitro y la detección clínica de fármacos. Los métodos actuales para preparar microportadoras incluyen chips microfluídicos e impresión de inyección de tinta, que a menudo se basan en un diseño de canal de flujo complejo, una interfaz bifásica incompatible y una forma de boquilla fija. Estos métodos enfrentan los desafíos del procesamiento complejo de boquillas, cambios inconvenientes en las boquillas y fuerzas de extrusión excesivas cuando se aplican a múltiples biotintas. En este estudio, se aplicó una técnica de impresión 3D, llamada chorro de fuerza viscoso-inercial alterna, para permitir la construcción de microportadores de hidrogel con un diámetro de 100-300 μm. Posteriormente, las células se sembraron en microportadores para formar módulos de ingeniería de tejidos. En comparación con los métodos existentes, este método ofrece un diámetro de punta de boquilla libre, conmutación de boquilla flexible, control libre de los parámetros de impresión y condiciones de impresión suaves para una amplia gama de materiales bioactivos.
Introduction
Los microportadores son perlas con un diámetro de 60-250 μm y una gran superficie específica y se utilizan comúnmente para el cultivo a gran escala de células1,2. Su superficie externa proporciona abundantes sitios de crecimiento para las células, y el interior proporciona una estructura de soporte para la proliferación espacial. La estructura esférica también proporciona conveniencia en el monitoreo y control de parámetros, incluyendo pH, O2 y concentración de nutrientes y metabolitos. Cuando se utilizan en combinación con biorreactores de tanque agitado, los microportadores pueden lograr densidades celulares más altas en un volumen relativamente pequeño en comparación con los cultivos convencionales, proporcionando así una forma rentable de lograr cultivos a gran escala3. La tecnología de cultivo de microportadores se ha convertido en una de las principales técnicas de investigación citológica, y se ha avanzado mucho en el campo de la expansión a gran escala de células madre, hepatocitos, condrocitos, fibroblastos y otras estructuras4. También se ha encontrado que son vehículos ideales de administración de fármacos y unidades de abajo hacia arriba, por lo que asumen un papel cada vez más importante en el cribado clínico de fármacos y la reparación de ingeniería de tejidos in vitro5.
Para cumplir con los requisitos de propiedad mecánica en diferentes escenarios, se han desarrollado múltiples tipos de materiales de hidrogel para su uso en la construcción de microportadoras6,7,8,9,10,11. Los hidrogeles de alginato y ácido hialurónico (HA) son dos de los materiales de microportadora más utilizados debido a su buena biocompatibilidad y reticulabilidad12,13. El alginato puede ser fácilmente reticulado por cloruro de calcio, y sus propiedades mecánicas pueden ser moduladas cambiando el tiempo de reticulación. La HA conjugada con tiramina está reticulada por el acoplamiento oxidativo de las partes de tiramina catalizadas por peróxido de hidrógeno y peroxidasa de rábano picante14. El colágeno, debido a su estructura espiral única y a su red de fibras reticuladas, se utiliza a menudo como adyuvante para mezclarse en los microportadores para promover aún más la unión celular15,16.
Los métodos actuales para preparar microportadores incluyen chips microfluídicos, impresión de inyección de tinta y electropulverización17,18,19,20,21,22,23. Se ha demostrado que los chips microfluídicos son rápidos y eficientes en la producción de microportadores de tamaño uniforme24. Sin embargo, esta tecnología se basa en un complejo proceso de diseño y fabricación de canales de flujo25. Las fuerzas de extrusión excesivas o de alta temperatura durante la impresión por inyección de tinta, así como los intensos campos eléctricos en el enfoque de electropulverización, pueden afectar negativamente las propiedades del material, especialmente su actividad biológica19. Además, cuando se aplican a varios biomateriales y diámetros, las boquillas personalizadas utilizadas en estos métodos dan como resultado una complejidad de procesamiento limitada, un alto costo y una baja flexibilidad.
Para proporcionar un método conveniente para la preparación de microportadores, se ha aplicado una técnica de impresión 3D llamada chorro de fuerzas viscosas-inerciales alternas (AVIFJ) para construir microportadores de hidrogel. La técnica utiliza fuerzas motrices hacia abajo y presión estática generada durante la vibración vertical para superar la tensión superficial de la punta de la boquilla y así formar gotas. En lugar de fuerzas severas y condiciones térmicas, pequeños desplazamientos rápidos actúan directamente sobre la boquilla durante la impresión, causando un efecto menor en las propiedades fisicoquímicas de la biotinta y presentando una gran atracción por los materiales bioactivos. Utilizando el método AVIFJ, se formaron con éxito microportadores de múltiples biomateriales con diámetros de 100-300 μm. Además, se demostró además que los microportadores se unen bien a las células y proporcionan un entorno de crecimiento adecuado para las células adheridas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo descrito aquí proporciona instrucciones para la preparación de múltiples tipos de microportadores de hidrogel y la posterior siembra celular. En comparación con los métodos de impresión de chip microfluídico y de inyección de tinta, el enfoque AVIFJ para construir microportadores ofrece una mayor flexibilidad y biocompatibilidad. Una boquilla independiente permite utilizar una amplia gama de boquillas ligeras, incluidas las micropipetas de vidrio, en estos sistemas de impresión. El procesamiento alt…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de Beijing (3212007), el Programa de Investigación Científica de la Iniciativa de la Universidad de Tsinghua (20197050024), el Fondo Spring Breeze de la Universidad de Tsinghua (20201080760), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51805294), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2018YFA0703004) y el Proyecto 111 (B17026).
Materials
| A549 cells | ATCC | CCL-185 | Human non-small cell lung cancer cell line |
| Bright field microscope | Olympus | DP70 | |
| Confocal microscope | Nikon | TI-FL | |
| Fetal bovine serum, FBS | BI | 04-001-1ACS | |
| Gelatin | SIGMA | G1890 | |
| Glass micropipettes | sutter instrument | b150-110-10 | |
| GlutaMAX | GIBCO | 35050-061 | |
| H-DMEM | GIBCO | 11960-044 | Dulbecco's modified eagle medium |
| Horseradish peroxidase powder | SIGMA | P6782 | |
| Hydrophobic agent | 3M | PN7026 | Follow the manufacturer's instructions and use after dilution |
| Micro-forge device | narishige | MF-900 | |
| Non-essential amino acids, NEAA | GIBCO | 11140-050 | non-essential amino acids |
| Penicillin G and streptomycin | GIBCO | 15140-122 | |
| Petri dish | SIGMA | P5731-500EA | |
| Puller | sutter instrument | P-1000 | |
| Sodium alginate | SIGMA | A0682 | |
| Trypsin | GIBCO | 25200-056 | |
| Type I collagen solution from rat tail | SIGMA | C3867 |
Riferimenti
- Chen, A. K., Reuveny, S., Oh, S. K. W. Application of human mesenchymal and pluripotent stem cell microcarrier cultures in cellular therapy: Achievements and future direction. Biotechnol Advances. 31, 1032-1046 (2013).
- Li, B., et al. Past, present, and future of microcarrier-based tissue engineering. Journal of Orthopaedic Translation. 3, 51-57 (2015).
- Badenes, S. M., Fernandes, T. G., Rodrigues, C. A. V., Diogo, M. M., Cabral, J. M. S. Microcarrier-based platforms for in vitro expansion and differentiation of human pluripotent stem cells in bioreactor culture systems. Journal of Biotechnol. 234, 71-82 (2016).
- de Soure, A. M., Fernandes-Platzgummer, A., Da Silva, C. L., Cabral, J. M. S. Scalable microcarrier-based manufacturing of mesenchymal stem/stromal cells. Journal of Biotechnol. 236, 88-109 (2016).
- Naqvi, S. M., et al. Living cell factories – electrosprayed microcapsules and microcarriers for minimally invasive delivery. Advanced Materials. 28, 5662-5671 (2016).
- Sarkar, S., et al. Chitosan: A promising therapeutic agent and effective drug delivery system in managing diabetes mellitus. Carbohydrate Polymers. 247, (2020).
- Sulaiman, S. B., Idrus, R. B. H., Hwei, N. M. Gelatin microsphere for cartilage tissue engineering: current and future strategies. Polymers. 12, (2020).
- Huang, L., Abdalla, A. M. E., Xiao, L., Yang, G. Biopolymer-based microcarriers for three-dimensional cell culture and engineered tissue formation. International Journal of Molecular Sciences. 21, (2020).
- Isiklan, N., Tokmak, S. Development of thermo/pH-responsive chitosan coated pectin-graft-poly(N, N-diethyl acrylamide) microcarriers. Carbohydrate Polymers. 218, 112-125 (2019).
- Lau, T. T., Wang, C., Wang, D. A. Cell delivery with genipin crosslinked gelatin microspheres in hydrogel/microcarrier composite. Composites Science & Technology. 70, 1909-1914 (2010).
- Lau, T. T. Hydrogel-microcarrier composite systems for cell delivery in tissue engineering. Acta Biomaterialia. 10, 1646-1662 (2014).
- Kwon, Y. J., Peng, C. A. Calcium-alginate gel bead cross-linked with gelatin as microcarrier for anchorage-dependent cell culture. Biotechniques. 33, 218 (2002).
- Leach, J. B., Bivens, K. A., Patrick, C. W., Schmidt, C. E. Photocrosslinked hyaluronic acid hydrogels: natural, biodegradable tissue engineering scaffolds. Biotechnology & Bioengineering. 82, 578-589 (2003).
- Kurisawa, M., Chung, J. E., Yang, Y. Y., Gao, S. J., Uyama, H. Injectable biodegradable hydrogels composed of hyaluronic acid-tyramine conjugates for drug delivery and tissue engineering. Chemical Communications. 34, 4312-4314 (2005).
- Yao, R., Alkhawtani, A. Y. F., Chen, R., Luan, J., Xu, M. Rapid and efficient in vivo angiogenesis directed by electro-assisted bioprinting of alginate/collagen microspheres with human umbilical vein endothelial cell coating layer. International Journal of Bioprinting. 5, 194 (2019).
- Mahou, R., Vlahos, A. E., Shulman, A., Sefton, M. V. Interpenetrating alginate-collagen polymer network microspheres for modular tissue engineering. Acs Biomaterials Science & Engineering. 4 (11), 3704-3712 (2017).
- Aftab, A., et al. Microfluidic platform for encapsulation of plant extract in chitosan microcarriers embedding silver nanoparticles for breast cancer cells. Applied Nanoscience. 10, 2281-2293 (2020).
- Park, W., et al. Microfluidic-printed microcarrier for in vitro expansion of adherent stem cells in 3D culture platform. Macromolecular Bioscience. 19, (2019).
- Chui, C., et al. Electrosprayed genipin cross-linked alginate-chitosan microcarriers for ex vivo expansion of mesenchymal stem cells. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 107, 122-133 (2019).
- Min, N. G., Ku, M., Yang, J., Kim, S. Microfluidic production of uniform microcarriers with multicompartments through phase separation in emulsion drops. Chemistry of Materials. 28 (5), 1430-1438 (2016).
- Park, W., Jang, S., Kim, T. W., Bae, J., Lee, E. A. Microfluidic-printed microcarrier for in vitro expansion of adherent stem cells in 3D culture platform. Macromolecular Bioscience. 19, (2019).
- Xu, T., Kincaid, H., Atala, A., Yoo, J. J. High-Throughput Production of Single-Cell Microparticles Using an Inkjet Printing Technology. Journal of Manufacturing Science & Engineering. 130, 137-139 (2008).
- Rao, W., et al. Enhanced enrichment of prostate cancer stem-like cells with miniaturized 3D culture in liquid core-hydrogel shell microcapsules. Biomaterials. 27 (27), 7762-7773 (2014).
- Choi, C. H., Weitz, D. A., Lee, C. S. One step formation of controllable complex emulsions: From functional particles to simultaneous encapsulation of hydrophilic and hydrophobic agents into desired position. Advanced Materials. 25, 2536-2541 (2013).
- Choi, A., Seo, K. D., Kim, D. W., Kim, B. C., Dong, S. K. Recent advances in engineering microparticles and their nascent utilization in biomedical delivery and diagnostic applications. Lab On A Chip. 17 (4), 591-613 (2017).
- Liu, T., Pang, Y., Zhou, Z., Yao, R., Sun, W. An integrated cell printing system for the construction of heterogeneous tissue models. Acta Biomaterialia. 95, 245-257 (2019).
- Hassan, K., et al. Functional inks and extrusion-based 3D printing of 2D materials: a review of current research and applications. NANOSCALE. 12, 19007-19042 (2020).
- Vithani, K., et al. An overview of 3D printing technologies for soft materials and potential opportunities for lipid-based drug delivery systems. Pharmaceutical Research. 36, (2019).
