3D-printen van in vitro hydrogel microdragers door afwisselend viskeuze-traagheidskracht jetting
Summary
Hier wordt een milde 3D-printtechniek gepresenteerd die wordt aangedreven door afwisselend viskeuze-traagheidskrachten om de constructie van hydrogel-microdragers mogelijk te maken. Zelfgemaakte nozzles bieden flexibiliteit, waardoor eenvoudige vervanging voor verschillende materialen en diameters mogelijk is. Celbindende microdragers met een diameter van 50-500 μm kunnen worden verkregen en verzameld voor verdere kweek.
Abstract
Microdragers zijn kralen met een diameter van 60-250 μm en een groot specifiek oppervlak, die vaak worden gebruikt als dragers voor grootschalige celculturen. Microcarrier-cultuurtechnologie is uitgegroeid tot een van de belangrijkste technieken in cytologisch onderzoek en wordt vaak gebruikt op het gebied van grootschalige celexpansie. Van microdragers is ook aangetoond dat ze een steeds belangrijkere rol spelen bij de bouw van in vitro weefselmanipulatie en klinische screening van geneesmiddelen. Huidige methoden voor het voorbereiden van microcarriers omvatten microfluïdische chips en inkjetprinten, die vaak afhankelijk zijn van een complex stroomkanaalontwerp, een incompatibele tweefasige interface en een vaste nozzle-vorm. Deze methoden worden geconfronteerd met de uitdagingen van complexe nozzleverwerking, ongemakkelijke nozzle-veranderingen en overmatige extrusiekrachten wanneer toegepast op meerdere bioink. In deze studie werd een 3D-printtechniek, alternating viscous-inertial force jetting genoemd, toegepast om de constructie van hydrogel microcarriers met een diameter van 100-300 μm mogelijk te maken. Cellen werden vervolgens gezaaid op microdragers om tissue engineering modules te vormen. In vergelijking met bestaande methoden biedt deze methode een vrije diameter van de spuitmondpunt, flexibele nozzle-omschakeling, vrije controle van afdrukparameters en milde afdrukomstandigheden voor een breed scala aan bioactieve materialen.
Introduction
Microdragers zijn kralen met een diameter van 60-250 μm en een groot specifiek oppervlak en worden vaak gebruikt voor grootschalige kweek van cellen1,2. Hun buitenoppervlak biedt overvloedige groeiplaatsen voor cellen en het binnenste biedt een ondersteunende structuur voor ruimtelijke proliferatie. De bolvormige structuur biedt ook gemak bij het bewaken en regelen van parameters, waaronder pH, O2 en concentratie van voedingsstoffen en metabolieten. Bij gebruik in combinatie met bioreactoren met geroerde tanks kunnen microdragers hogere celdichtheden bereiken in een relatief klein volume in vergelijking met conventionele culturen, waardoor een kosteneffectieve manier wordt geboden om grootschalige culturen te bereiken3. Microcarrier-cultuurtechnologie is een van de belangrijkste technieken in cytologisch onderzoek geworden en er is veel vooruitgang geboekt op het gebied van grootschalige uitbreiding van stamcellen, hepatocyten, chondrocyten, fibroblasten en andere structuren4. Ze zijn ook ideale voertuigen voor medicijnafgifte en bottom-upeenheden gebleken, waardoor ze een steeds belangrijkere rol spelen bij klinische geneesmiddelenscreening en in vitro weefselmanipulatie5.
Om te voldoen aan de mechanische eigenschapseisen in verschillende scenario’s, zijn meerdere soorten hydrogelmaterialen ontwikkeld voor gebruik bij de constructie van microdragers6,7,8,9,10,11. Hydrogels voor alginaat en hyaluronzuur (HA) zijn twee van de meest gebruikte microcarriermaterialen vanwege hun goede biocompatibiliteit en crosslinkbaarheid12,13. Alginaat kan gemakkelijk worden verknoopt door calciumchloride en de mechanische eigenschappen kunnen worden gemoduleerd door de cross-linking tijd te veranderen. Tyramine-geconjugeerde HA is verknoopt door de oxidatieve koppeling van tyraminemoieties gekatalyseerd door waterstofperoxide en mierikswortelperoxidase14. Collageen, vanwege zijn unieke spiraalstructuur en verknoopt vezelnetwerk, wordt vaak gebruikt als een adjuvans om zich in de microdragers te mengen om celaanhechting verder te bevorderen15,16.
Huidige methoden voor het voorbereiden van microdragers omvatten microfluïdische chips, inkjetprinten en elektrospray17,18,19,20,21,22,23. Het is bewezen dat microfluïdische chips snel en efficiënt zijn in het produceren van microdragers van uniforme grootte24. Deze technologie is echter afhankelijk van een complex ontwerp- en fabricageproces van stroomkanalen25. Hoge temperatuur of overmatige extrusiekrachten tijdens inkjetprinten, evenals intense elektrische velden in de elektrospraybenadering, kunnen de eigenschappen van het materiaal, met name de biologische activiteit ervan, nadelig beïnvloeden19. Bovendien, wanneer toegepast op verschillende biomaterialen en diameters, resulteren de aangepaste nozzles die in deze methoden worden gebruikt in beperkte verwerkingscomplexiteit, hoge kosten en lage flexibiliteit.
Om een handige methode voor de voorbereiding van microcarriers te bieden, is een 3D-printtechniek genaamd alternating viscous-inertial forces jetting (AVIFJ) toegepast om hydrogel-microcarriers te bouwen. De techniek maakt gebruik van neerwaartse aandrijfkrachten en statische druk die wordt gegenereerd tijdens verticale trillingen om de oppervlaktespanning van de mondstukpunt te overwinnen en zo druppels te vormen. In plaats van zware krachten en thermische omstandigheden, werken kleine snelle verplaatsingen direct op het mondstuk tijdens het printen, waardoor een klein effect op de fysisch-chemische eigenschappen van de bioink wordt veroorzaakt en een grote aantrekkingskracht wordt uitgeoefend op bioactieve materialen. Met behulp van de AVIFJ-methode werden met succes microdragers van meerdere biomaterialen met diameters van 100-300 μm gevormd. Bovendien is verder bewezen dat de microdragers cellen goed binden en een geschikte groeiomgeving bieden voor gehechte cellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hier beschreven protocol geeft instructies voor de bereiding van multi-types hydrogel microcarriers en daaropvolgende celzaaien. In vergelijking met microfluïdische chip- en inkjetprintmethoden biedt de AVIFJ-benadering voor het bouwen van microdragers meer flexibiliteit en biocompatibiliteit. Een onafhankelijk mondstuk maakt het mogelijk om een breed scala aan lichtgewicht nozzles, waaronder glazen micropipettes, te gebruiken in deze printsystemen. De zeer controleerbare verwerking maakt het mogelijk om parameters …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Beijing Natural Science Foundation (3212007), Tsinghua University Initiative Scientific Research Program (20197050024), Tsinghua University Spring Breeze Fund (20201080760), de National Natural Science Foundation of China (51805294), National Key Research and Development Program of China (2018YFA0703004) en het 111 Project (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 |
References
- 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).
