Взаимосвязанные макропористые 3D-каркасы из микрогелевых стержней
Summary
Микрогелевые стержни с комплементарными реакционноспособными группами получают с помощью микрофлюидики со способностью соединяться в водном растворе. Анизометрические микрогели заклинивают и соединяются в стабильные конструкции с большими порами по сравнению со сферическими системами. Микрогели, модифицированные с помощью GRGDS-PC, образуют макропористые 3D-конструкции, которые могут быть использованы для клеточной культуры.
Abstract
Двухкомпонентная система функционализированных микрогелей из микрофлюидики позволяет быстро соединяться в 3D макропористые конструкции в водных растворах без дополнительных добавок. Непрерывное фотоиницированное гелеобразование на кристалле позволяет изменять соотношение сторон микрогеля, что определяет свойства строительных блоков для полученных конструкций. Мономеры глицидилметакрилата (GMA) или 2-аминоэтилметакрилата (AMA) сополимеризуются в микрогелевую сеть на основе звездополимеров полиэтиленгликоля (PEG) для достижения эпоксидной или аминной функциональности. Фокусирующий поток масла вводится в микрофлюидную выходную структуру для обеспечения непрерывного сбора функционализированных микрогелевых стержней. Основываясь на недавней публикации, конструкции на основе микрогелевых стержней приводят к увеличению пор в несколько сотен микрометров и, в то же время, приводят к общей более высокой стабильности каркаса по сравнению со сферической моделью. Таким образом, можно производить конструкции большего объема с большим свободным объемом при одновременном уменьшении количества необходимого материала. Взаимосвязанные макропористые каркасы могут быть подобраны и транспортированы без повреждения или распада. Аминная и эпоксидная группы, не участвующие во взаимосвязи, остаются активными и могут использоваться независимо для постмодификации. Этот протокол описывает оптимизированный метод изготовления микрогелевых стержней для формирования макропористых взаимосвязанных каркасов, которые могут быть использованы для последующих клеточных экспериментов.
Introduction
Для изучения сложного кооперативного поведения клеток в 3D-конструкциях платформы каркасов должны демонстрировать последовательную производительность в воспроизводимости, иметь подходящую геометрию для миграции клеток и, в то же время, обеспечивать определенную гибкость с точки зрения изменения параметров для исследования их влияния на живую ткань1. В последние годы концепция макропористых отожженных частиц (MAP), впервые описанная Segura et al., превратилась в эффективную и универсальную платформу для производства 3D-лесов2. Индивидуальный состав микрогелей, которые являются строительными блоками конечного 3D-каркаса, предопределяет такие свойства, как жесткость конструкции, селективная химическая реакционная способность гелевой сети и конечный размер пор каркаса 2,3,4,5,6. Клеточные адгезивные пептиды в качестве сигналов для взаимодействия каркаса и клетки включены в полимерную сеть микрогелей, чтобы обеспечить прикрепление клеток, и могут быть изменены для исследования их специфического воздействия на клетки в культуре. 3D-каркасы стабилизируются путем соединения отожженных инъекционных микрогелей за счет ковалентных или супрамолекулярных связей, в результате чего образуются прочные и определенные конструкции для клеточной культуры 2,3,5,7,8.
Микрофлюидика зарекомендовала себя как один из наиболее точных и адаптируемых методов получения определенных гранулированных гидрогелей9. Возможность производства большего количества необходимых строительных блоков в непрерывном процессе при сохранении их химической, механической и физической монодисперсности существенно способствует пригодности этого процесса. Кроме того, размером и формой полученных микрогелей можно манипулировать различными методами, такими как периодические эмульсии, микрофлюидика, литография, электродинамическое напыление или механическая фрагментация, которые определяют геометрию строительных блоков и, таким образом, 3D-структуру конечного каркаса 1,10.
Недавно сообщалось о концепции макропористых 3D-каркасов, состоящих из функционализированных микрогелевых стержней, которые быстро соединяются в водных растворах без дальнейших добавок11. Анизотропия микрогелевых стержней привела к более высокой пористости и распределению пор с большими размерами пор по сравнению с использованием сферических микрогелей в этом исследовании11. Таким образом, меньшее количество материала создает более крупные поры с различными геометриями пор, сохраняя при этом стабильность 3D-каркаса. Система состоит из двух типов микрогелевых стержней с комплементарными первичными аминовыми и эпоксидными функциональными группами, которые потребляются в рамках взаимосвязанной реакции при контакте друг с другом. Функциональные группы, которые не участвуют в процессе взаимосвязи, остаются активными и могут быть использованы для селективной постмодификации с клеточными адгезивными пептидами или другими биологически активными факторами. Клетки фибробластов прикрепляются, распространяются и размножаются при культивировании внутри 3D-каркасов, сначала вырастая на поверхности микрогеля и заполняя большую часть макропор через 5 дней. Предварительное кокультурное исследование фибробластов человека и эндотелиальных клеток пупочных вен человека (HUVECs) показало многообещающие результаты для формирования сосудоподобных структур во взаимосвязанных 3D-каркасах11.
Protocol
Representative Results
Discussion
Одним из критических шагов в этом протоколе является качество 2-аминоэтилметакрилата (АМА), используемого в качестве сомономера для функционализации первичного амина. АМА должен представлять собой мелкозернистый и предпочтительно бесцветный порошок, поставляемый в газонепроницаемо?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы выражаем благодарность соавторам нашей предыдущей работы, на которой основана эта методология, Селин Бастард, Луису. Б. Герцони, Йонке Киттель, Ростиславу Винокуру, Николаю Борну и Тамашу Харашти. Мы с благодарностью отмечаем финансирование со стороны Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) в рамках проекта B5 и C3 SFB 985 «Функциональные микрогели и микрогелевые системы». Мы признаем финансирование со стороны Комитета по конкуренции Сената Лейбница (SAW) в рамках программы Professorinnen (SAW-2017-PB62: BioMat). Мы искренне приветствуем финансирование со стороны Европейской комиссии (EUSMI, 731019). Эта работа была выполнена частично в Центре химических полимерных технологий (CPT), который был поддержан ЕС и федеральной землей Северный Рейн-Вестфалия (грант EFRE 30 00 883 02).
Materials
| ABIL EM 90 | Evonik | 144243-53-8 | non-ionic surfactant |
| 2-Aminoethyl methacrylate hydrochloride | TCI Chemicals | A3413 | >98.0%(T)(HPLC) |
| 8-Arm PEG-acrylate 20 kDa | Biochempeg Scientific Inc. | A88009-20K | ≥ 95 % |
| AutoCAD 2019 | Autodesk | computer-aided design (CAD) software; modeling of microfluidic designs | |
| CHROMAFIL MV A-20/25 syringe filter | XH49.1 | pore size 0.20 µm; Cellulose Mixed Esters (MV) | |
| Cover glass | Marienfeld-Superior | type No. 1 | |
| EMS Swiss line core sampling tool 0.75 mm | Electron Microscopy Sciences | 0.77 mm inner diameter, 1.07 mm outer diameter | |
| Ethanol absolut | VWR Chemicals | ||
| FL3-U3-13Y3M 150 FPS series high-speed camera | FLIR Systems | ||
| Fluoresceinamine isomer I | Sigma-Aldrich | 201626 | |
| Fluorescein isothiocyanate | Thermo Fisher Scientific | 46424 | |
| 25G x 5/8’’ 0,50 x 16 mm needles | BD Microlance 3 | ||
| Glycidyl methacrylate | Sigma-Aldrich | 779342 | ≥97.0% (GC) |
| GRGDS-PC | CPC Scientific | FIBN-015A | |
| Hamilton 1000 Series Gastight syringes | Thermo Fisher Scientific | 10772361/10500052 | PFTE Luer-Lock |
| Hexane | Sigma-Aldrich | 1,04,367 | |
| Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate | Sigma-Aldrich | 900889 | ≥95 % |
| Motic AE2000 trinocular microscope | Ted Pella, Inc. | 22443-12 | |
| Novec 7100 | Sigma-Aldrich | SHH0002 | |
| Oil Red O | Sigma-Aldrich | O9755 | |
| Paraffin | VWR Chemicals | 24679320 | |
| Pavone Nanoindenter Platform | Optics11Life | ||
| Phosphate buffered saline | Thermo Fisher Scientific | AM9624 | |
| Polyethylene Tubing 0.38×1.09mm medical grade | dropletex | ID 0.38 mm OD 1.09 mm | |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 190764 | ACS reagent, ≥99.5% |
| Protein LoBind Tubes | Eppendorf | 30108132 | |
| Pump 11 Pico Plus Elite Programmable Syringe Pump | Harvard Apparatus | ||
| RPMI 1640 medium | Gibco | 11530586 | |
| SYLGARD 184 silicone elastomer kit | Dow SYLGARD | 634165S | |
| Trichloro-(1H,1H,2H,2H-perfluoroctyl)-silane | Sigma-Aldrich | 448931 | |
| UVC LED sterilizing box | UVLED Optical Technology Co., Ltd. | 9S SZH8-S2 |
References
- Daly, A. C., Riley, L., Segura, T., Burdick, J. A. Hydrogel microparticles for biomedical applications. Nature Reviews Materials. 5 (1), 20-43 (2020).
- Griffin, D. R., Weaver, W. M., Scumpia, P. O., Di Carlo, D., Segura, T. Accelerated wound healing by injectable microporous gel scaffolds assembled from annealed building blocks. Nature Materials. 14 (7), 737-744 (2015).
- Xin, S., Wyman, O. M., Alge, D. L. Assembly of PEG microgels into porous cell-instructive 3D scaffolds via thiol-ene click chemistry. Advanced Healthcare Materials. 7 (11), 1800160 (2018).
- Truong, N. F., et al. Microporous annealed particle hydrogel stiffness, void space size, and adhesion properties impact cell proliferation, cell spreading, and gene transfer. Acta Biomaterialia. 94, 160-172 (2019).
- Sheikhi, A., et al. Microfluidic-enabled bottom-up hydrogels from annealable naturally-derived protein microbeads. Biomaterials. 192, 560-568 (2019).
- de Rutte, J. M., Koh, J., Di Carlo, D. Scalable high-throughput production of modular microgels for in situ assembly of microporous tissue scaffolds. Advanced Functional Materials. 29 (25), 1900071 (2019).
- Hsu, R. -. S., et al. Adaptable microporous hydrogels of propagating NGF-gradient by injectable building blocks for accelerated axonal outgrowth. Advanced Science. 6 (16), 1900520 (2019).
- Caldwell, A. S., Campbell, G. T., Shekiro, K. M. T., Anseth, K. S. Clickable microgel scaffolds as platforms for 3D cell encapsulation. Advanced Healthcare Materials. 6 (15), 1700254 (2017).
- Chen, Z., et al. Advanced microfluidic devices for fabricating multi-structural hydrogel microsphere. Exploration. 1 (3), 20210036 (2021).
- Qazi, T. H., et al. Anisotropic rod-shaped particles influence injectable granular hydrogel properties and cell invasion. Advanced Materials. 34 (12), 2109194 (2022).
- Rommel, D., et al. Functionalized microgel rods interlinked into soft macroporous structures for 3D cell culture. Advanced Science. 9 (10), 2103554 (2022).
- Guerzoni, L. P. B., et al. Cell encapsulation in soft, anisometric poly(ethylene) glycol microgels using a novel radical-free microfluidic system. Small. 15 (20), 1900692 (2019).
- Krüger, A. J. D., et al. Compartmentalized jet polymerization as a high-resolution process to continuously produce anisometric microgel rods with adjustable size and stiffness. Advanced Materials. 31 (49), 1903668 (2019).
- Darling, N. J., et al. Click by click microporous annealed particle (MAP) scaffolds. Advanced Healthcare Materials. 9 (10), 1901391 (2020).
- Lutzweiler, G., Ndreu Halili, ., Engin Vrana, N. The overview of porous, bioactive scaffolds as instructive biomaterials for tissue regeneration and their clinical translation. Pharmaceutics. 12 (7), 602 (2020).
- Dang, H. P., et al. 3D printed dual macro-, microscale porous network as a tissue engineering scaffold with drug delivering function. Biofabrication. 11 (3), 035014 (2019).
- Highley, C. B., Song, K. H., Daly, A. C., Burdick, J. A. Jammed microgel inks for 3D printing applications. Advanced Science. 6 (1), 1801076 (2019).
