Konstruktion af Modular Hydrogel Leverandørbrugsanvisning på mikromønstrede Macro-skaleret 3D Cellular Arkitektur
Summary
We describe the fabrication of micropatterned hydrogel sheets using a simple process, which can be assembled and manipulated in a freestanding form. Using these modular hydrogel sheets, a simple macro-scaled 3D cell culture system can be generated with a controlled cellular microenvironment.
Abstract
Hydrogeler kan mønster på mikro-skala under anvendelse mikrofluide eller micropatterning teknologier til at levere en in vivo-lignende tre-dimensionelle (3D) væv geometri. De resulterende 3D hydrogel-baserede cellulære konstruktioner er blevet indført som et alternativ til dyreforsøg for avancerede biologiske undersøgelser, farmakologiske assays og organtransplanterede applikationer. Selvom hydrogel-baserede partikler og fibre kan let fremstilles, er det vanskeligt at manipulere dem til vævsrekonstruktion. I denne video, beskriver vi en fabrikation metode til mikromønstrede alginat hydrogel ark, sammen med deres forsamling til at danne en makro-skala 3D cellekultur-system med en kontrolleret cellulær mikromiljø. Ved hjælp af en tåge form af calcium geleringsmiddel er tynde plader hydrogel let genereres med en tykkelse i området fra 100 – 200 um og med præcise micropatterns. Celler kan derefter dyrkes med geometriske vejledning af hydrogel ark ifritstående forhold. Endvidere kan hydrogel ark let manipuleres under anvendelse af en mikropipette med en ende-cut tip, og kan samles til flerlagsstrukturer ved at stable dem ved hjælp af en mønstret polydimethylsiloxan (PDMS) ramme. Disse modulære hydrogel ark, som kan fremstilles ved hjælp af en letkøbt proces, har potentielle anvendelser af in vitro-drug assays og biologiske undersøgelser, herunder funktionelle studier af mikro- og makrostruktur og væv genopbygning.
Introduction
Hydrogeler er særligt lovende biomaterialer, og forventes at være vigtige i grundlæggende biologi, farmakologiske analyser og medicin. 1 Biofabrication af hydrogel-baserede cellulære konstruktioner er blevet foreslået at reducere brugen af dyreforsøg, 2,3 erstatte transplanterbare væv, 4 og forbedre cellebaserede assays. 5,6 vandholdig (kulbrinter) viskoelastiske materialer (geler) tillader et stort antal celler, der skal indkapsles og vedligeholdes i et stillads struktur for at kontrollere 3D cellulære mikromiljø. I kombination med vejledning af mikrofluide eller micropatterning teknologier, kan geometrien af hydrogelen konstruktioner styres præcist på celleniveau skala. Til dato, en række forskellige former af hydrogeler, herunder partikler, 7 – 9 fibre, 10 – 12 og ark, 13 – 15 er blevet anvendt som bygningselementer i bottom-up hensigtshovedpine til fremstilling af makro-skala flercellede arkitekturer.
Både hydrogel-baserede partikler og fibre har været let og hurtigt fremstillet til anvendelser som mikro-skala cellulære miljøer, med fluide kontrol ved hjælp af mikrofluidenheder. Men som de grundlæggende enheder af manipuleret væv, ville det være kompliceret at omarrangere dem, og at udvide deres volumen som makro-skala konstruktioner. 16 Det er mere vanskeligt at opnå makro-skaleret konstruktioner end at producere mikrometerstore grundmoduler. Arklignende enheder af hydrogel-baserede konstruktioner kan anvendes til at øge mængden af stilladser via en enkel samling proces. Som følge heraf, stablede lag af hydrogel ark giver ikke kun en volumetrisk stigning, men også en geometrisk forlængelse i et 3D-rum.
Vi har tidligere rapporteret en fremgangsmåde til fremstilling mikromønstrede hydrogel ark, 13 – 15 sammen med deres samling til multi-layob- cellulære arkitekturer. Teknikken muliggør komplekse micropatterning og modulære design af cellulære konstruktioner via en stablingsprocessen af flerlagsstrukturer. Gennem fremstilling af stablede modulære hydrogel ark, der mikromønstrede, kan et 3D cellekultursystem med en kontrolleret makroskala cellulære mikromiljø realiseres. Denne videoprotokollatet beskriver en simpel endnu kraftfulde fremstillingsmetode, der kan anvendes til at konstruere modulære hydrogel ark, baseret på human lever carcinomacellelinie (HepG2). Vi demonstrerer heri simpel manipulation af disse mønstrede modulære hydrogel ark og deres samling til en flerlagsstruktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol giver en enkel metode til at opdigte modulære hydrogel ark, og samle dem til at danne 3D cellulære stilladser.
For at konstruere klare mønstrede alginat strukturer i en kort tid, bør vi identificere en krydsbinding proces, der kan skabe tilstrækkeligt stive strukturer til at opretholde de komplekse micropatterns fra formen, samt opretholde levedygtighed og stofskifte celle. Vi har udviklet en tværbinding, herunder en sol-gel-overgang, at sprøjte et tværbindingsreagens …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by a National Leading Research Laboratory Program (Grant NRF-2013R1A2A1A05006378) through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning. The authors also acknowledge a KAIST Systems Healthcare Program.
Materials
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Corporation | 000000000001064291 | |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | Powdered nonionic surfactant |
| Alginic acid sodium salt, low viscosity | Alfa Aesar | B25266 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| Ultrasonic humidifier | MediHeim | MH-2800 | Modified equipment, Maximum sprayed rate: 250 mL/h |
| Nylon net filter hydrofilic, 180 μm | EMD Millipore | NY8H04700 | |
| Polycarbonate mold | Customized mold for fabrication of a PDMS frame pattern |
References
- Hoffman, A. S. Hydrogels for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (Supplement), 18-23 (2012).
- Lan, S., Starly, B. Alginate based 3D hydrogels as an in vitro co-culture model platform for the toxicity screening of new chemical entities. Toxicol. Appl. Pharm. 256 (1), 62-72 (2011).
- Szot, C. S., Buchanan, C. F., Freeman, J. W., Rylander, M. N. 3D in vitro bioengineered tumors based on collagen I hydrogels. Biomaterials. 32 (31), 7905-7912 (2011).
- Lim, F., Sun, A. M. Microencapsulated islets as bioartificial endocrine pancreas. Science. 210 (4472), 908-910 (1980).
- Koh, W. G., Itle, L. J., Pishko, M. V. Molding of hydrogel microstructures to create multiphenotype cell microarrays. Anal. Chem. 75 (21), 5783-5789 (2003).
- Xu, Y., et al. A Microfluidic Hydrogel Capable of Cell Preservation without Perfusion Culture under Cell-Based Assay Conditions. Adv Mater. 22 (28), 3017-3021 (2010).
- Um, E., Lee, D. S., Pyo, H. S., Park, J. K. Continuous generation of hydrogel beads and encapsulation of biological materials using a microfluidic droplet-merging channel. Microfluid. Nanofluid. 5 (4), 541-549 (2008).
- Lee, D. H., Lee, W., E, U. m., Park, J. K. Microbridge structures for uniform interval control of flowing droplets in microfluidic networks. Biomicrofluidics. 5 (3), 034117 (2011).
- Lee, D. H., Bae , C. Y., Han, J. I., Park, J. K. In situ analysis of heterogeneity in the lipid content of single green microalgae in alginate hydrogel microcapsules. Anal. Chem. 85 (18), 8749-8756 (2013).
- 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).
- Yamada, M., et al. Controlled formation of heterotypic hepatic micro-organoids in anisotropic hydrogel microfibers for long-term preservation of liver-specific functions. Biomaterials. 33 (33), 8304-8315 (2012).
- Onoe, H., et al. Metre-long cell-laden microfibres exhibit tissue morphologies and functions. Nat. Mater. 12 (6), 584-590 (2013).
- Lee, W., Son, J., Yoo, S. S., Park, J. K. Facile and Biocompatible Fabrication of Chemically Sol−Gel Transitional Hydrogel Free-Standing Microarchitectures. 12 (1), 14-18 (2011).
- Lee, W., et al. Cellular hydrogel biopaper for patterned 3D cell culture and modular tissue reconstruction. Adv. Healthcare Mater. 1 (5), 635-639 (2012).
- Bae, C. Y., Min, M. K., Kim, H., Park, J. K. Geometric effect of the hydrogel grid structure on in vitro formation of homogeneous MIN6 cell clusters. Lab Chip. 14 (13), 2183-2190 (2014).
- Bruzewicz, D. A., McGuigan, A. P., Whitesides, G. M. Fabrication of a modular tissue construct in a microfluidic chip. Lab Chip. 8 (5), 663-671 (2008).
- Choi, S., Park, J. K. Two-step photolithography to fabricate multilevel microchannels. Biomicrofluidics. 4 (4), 046503 (2010).
- Lee, B. R., et al. In situ formation and collagen-alginate composite encapsulation of pancreatic islet spheroids. Biomaterials. 33 (3), 837-845 (2012).
- Cabodi, M., Choi, N. W., Gleghorn, J. P., Lee, C. S., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. A microfluidic biomaterial. J. Am. Chem. Soc. 127 (40), 13788-13789 (2005).
- Choi, N. W., Cabodi, M., Held, B., Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. Microfluidic scaffolds for tissue engineering. Nat. Mater. 6 (11), 908-915 (2007).
- Rowley, J. A., Madlambayan, G., Mooney, D. J. Alginate hydrogels as synthetic extracellular matrix materials. Biomaterials. 20 (1), 45-53 (1999).
