Протоколы 3D биопечати желатина Methacryloyl Гидрогель на основе биоинков
Summary
Здесь представлен метод 3D-биопечати желатина метакрилоила.
Abstract
Гелатин метакрилоил (GelMA) стал популярным биоматериалом в области биопечати. Производным этим материалом является желатин, который гидролизмовается из коллагена млекопитающих. Таким образом, аргинин-глицин-аспарговая кислота (РГД) последовательности и целевые мотивы матричной металлопротеинаазы (ММП) остаются на молекулярных цепях, которые помогают достичь клеточной привязанности и деградации. Кроме того, свойства формирования GelMA являются универсальными. Группы метакриламида позволяют материалу быстро пересекаться под световым облучением в присутствии фотоинитиатора. Поэтому имеет смысл создать подходящие методы синтеза трехмерных (3D) структур с помощью этого перспективного материала. Однако его низкая вязкость ограничивает доступность GelMA. Здесь представлены методы проведения 3D-биопечати гидрогелей GelMA, а именно изготовление микросфер GelMA, волокон GelMA, сложных структур GelMA и микрофлюидных микрочипов на основе GelMA. Обсуждаются полученные структуры и биосовместимость материалов, а также методы печати. Считается, что этот протокол может служить мостом между ранее примененными биоматериалами и GelMA, а также способствовать созданию 3D-архитектурна на основе GelMA для биомедицинских приложений.
Introduction
Гидрогели считаются подходящим материалом в области биофабрикации1,2,3,4. Среди них желатин метакрилоил (GelMA) стал одним из самых универсальных биоматериалов, первоначально предложенных в 2000 году Ван Ден Омке и др.5. ГельМА синтезируется непосредственной реакцией желатина с метакрилическим ангидридом (МА). Желатин, гидролизуемый коллагеном млекопитающих, состоит из целевых мотивов матричной металлопротеинаазы (ММП). Таким образом, трехмерные (3D) модели тканей In vitro, созданные GelMA, могут идеально имитировать взаимодействие между клетками и внеклеточной матрицей (ECM) in vivo. Кроме того, аргинин-глицин-аспарговая кислота (РГД) последовательности, которые отсутствуют в некоторых других гидрогелей, таких как альгинаты, остаются на молекулярных цепях GelMA. Это позволяет реализовать вложение инкапсулированных ячеек внутри гидрогелевыхсетей 6. Кроме того, возможности формирования GelMA является перспективным. Группы метакриламида на молекулярных цепях GelMA реагируют с фотоинитиатором в мягких условиях реакции и образуют ковалентные связи при воздействии облучения света. Таким образом, печатные структуры могут быть быстро перекрестные для поддержания разработанных форм простым способом.
Основываясь на этих свойствах, ряд областей используют GelMA для выполнения различных применений, таких как тканевая инженерия, основной анализ цитологии, скрининг наркотиков и биосенсирование. Соответственно, различные стратегии изготовления также были продемонстрирована7,8,9,10,11,12,13,14. Тем не менее, это все еще сложно провести 3D биопечать на основе GelMA, которая из-за его фундаментальных свойств. GelMA является чувствительным к температуре материалом. В процессе печати, температура атмосферы печати должна быть строго контролируется для того, чтобы поддерживать физическое состояние биоинки. Кроме того, вязкость GelMA, как правило, ниже, чем другие распространенные гидрогели (наоборот, альгинат, хитозан, гиалуроновая кислота и т.д.). Тем не менее, другие препятствия сталкиваются при строительстве 3D архитектуры с этим материалом15.
В этой статье кратко излагается несколько подходов к 3D-биопечати GelMA, предложенных нашей лабораторией, и описаны печатные образцы (т.е. синтез микросфер GelMA, волокон GelMA, сложных структур GelMA и микрофлюидных микрочипов на основе GelMA). Каждый метод имеет специализированные функции и может быть принят в различных ситуациях с различными требованиями. Микросферы GelMA генерируются электроусилитом модулем, который формирует дополнительную внешнюю электрическую силу для сокращения размера капли. С точки зрения волокон GelMA, они выдавливаются коаксиальным сопло биопечати с помощью вязких альгината натрия. Кроме того, создание сложных 3D-структур достигается с помощью биопринтера цифровой обработки света (DLP). Наконец, предлагается стратегия дважды перекрестных ссылок на создание микрофлюидных микрочипов на основе GelMA, сочетающих гидрогель GelMA и традиционные микрофлюидные чипы. Считается, что этот протокол представляет собой значительное резюме стратегий биопечати GelMA, используемых в нашей лаборатории, и может вдохновить других исследователей в относительной области.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой статье описано несколько стратегий изготовления 3D-структур GelMA, а именно микросферы GelMA, волокна GelMA, сложные структуры GelMA и микрофлюидные микрочипы на основе GelMA. GelMA обладает многообещающей биосовместимостью и способностью к образованию и широко используется в области биофабри…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была организована Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая (2018YFA0703000), Национальным фондом естественных наук Китая (No.U1609207, 81827804), Научным фондом творческих исследовательских групп Национальной естественной науки Фонд Китая (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 |
References
- 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).
