בנייה של גיליונות מודולרי Hydrogel לאדריכלות סלולרית 3D המוקטן מאקרו micropatterned
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
ניתן בדוגמת הידרוג במייקרו בקנה המידה תוך שימוש בטכנולוגיות מייקרו-נוזליות או micropatterning לספק in vivo דמוי גיאומטריה רקמה תלת-ממדי (3D). בונה מבוססת הידרוג'ל 3D וכתוצאה מהסלולרית הוכנס כחלופה לניסויים בבעלי חיים ללימודים מתקדמים ביולוגיים, מבחני תרופתיים ויישומי השתלת איברים. למרות שיכולים להיות מפוברקים בקלות חלקיקים מבוסס הידרוג'ל וסיבים, קשה לתפעל אותם לשיקום רקמות. בסרטון הזה, אנו מתארים שיטת ייצור לגיליונות הידרוג'ל אלגינט micropatterned, יחד עם ההרכבה שלהם כדי ליצור מערכת תרבית תאי 3D מאקרו בקנה מידה עם מייקרו-סביבה סלולרית מבוקר. שימוש בטופס ערפל סוכן gelling סידן של, גיליונות הידרוג'ל דקים נוצרים בקלות עם עובי בטווח של 100 – 200 מיקרומטר, ועם micropatterns המדויק. אז יכולים להיות מתורבת תאים עם ההדרכה הגיאומטרית של גיליונות הידרוג'ל בתנאים בודד. יתר על כן, גיליונות הידרוג'ל ניתן להשפיע בקלות באמצעות micropipette עם קצה לחתוך הסוף, וניתן להרכיב למבנים רב שכבתיים על ידי לערום אותם באמצעות polydimethylsiloxane דוגמת מסגרת (PDMS). גיליונות אלה מודולרי הידרוג'ל, אשר יכול להיות מפוברק באמצעות תהליך קליל, יש יישומים פוטנציאליים של מבחני במבחנה סמים ומחקרים ביולוגיים, כוללים מחקרים פונקציונליים של מיקרו וmacrostructure ושיקום רקמות.
Introduction
הידרוג במיוחד מבטיח ביו-חומרים, וצפויים להיות חשוב בביולוגיה בסיסית, מבחני תרופתיים ורפואה. 1 Biofabrication של מבנים תאיים המבוסס על הידרוג'ל הוצע להפחית את השימוש בניסויים בבעלי חיים, 2,3 להחליף רקמות להשתלה, 4 ולשפר מבחני מבוססי תאים. 5,6 חומרים המכילים מים (הידרו) viscoelastic (ג ') לאפשר למספר גדול של תאים להיות כמוס ומתוחזק במבנה פיגום לשלוט microenvironment הסלולרי 3D. בשילוב עם ההדרכה של טכנולוגיות מייקרו-נוזליות או micropatterning, הגיאומטריה של מבני הידרוג'ל ניתן לשלוט באופן מדויק בקנה המידה הסלולרית. עד כה, מגוון צורות של הידרוג'ל, כוללים חלקיקים, 7 – 9 סיבים, 10 – 12 וגיליונות, 13-15 שימשו כיחידות בנייה במלמטה למעלה approכואב לייצור של ארכיטקטורות רב-תאיות מאקרו בקנה מידה.
שני חלקיקים מבוססי הידרוג'ל וסיבים היו מפוברקים בקלות ובמהירות ליישומים כמו סביבות סלולריות מיקרו בקנה מידה, עם פקדי fluidic באמצעות מכשירי microfluidic. עם זאת, כיחידות הבסיסיות של רקמות מהונדסות, זה יהיה מסובך לסדר אותם מחדש ולהגדלת נפחם כמבני מאקרו בקנה מידה. 16 זה קשה יותר להשיג מבנים בקנה המידה מאקרו מאשר לייצר מודולים בסיסיים בגודל מיקרון. יחידות כמו גיליונות של מבנים מבוססי הידרוג'ל יכולות לשמש כדי להגביר את עוצמת הקול של פיגומים באמצעות תהליך הרכבה פשוט. Consequentially, שכבות שנערמו של גיליונות הידרוג'ל לספק לא רק גידול נפח אלא גם הארכה גיאומטרית בחלל 3D.
יש לנו דיווח שיטה של בודה גיליונות הידרוג'ל micropatterned, 13 בעבר – 15 יחד עם ההרכבה שלהם לרבים-שכבארכיטקטורות סלולריות אבודות של. הטכניקה מאפשרת micropatterning מורכבת ועיצוב המודולרי של מבנים תאיים באמצעות תהליך ערימה של מבנים רב שכבתיים. דרך הייצור של גיליונות מוערמים מודולרי הידרוג'ל, הmicropatterned, יכול להתממש מערכת תרבית תאי 3D עם מייקרו-סביבה סלולרית מאקרו בקנה מידה מבוקר. פרוטוקול וידאו זה מתאר שיטה פשוטה אך רבת עוצמה ייצור שיכול לשמש לבניית גיליונות הידרוג'ל מודולרי, המבוססים על קו הכבד האנושי תא קרצינומה (HepG2). אנו מדגימים זאת מניפולציה פשוטה של גיליונות הידרוג'ל אלה בדוגמת מודולרי, וההרכבה שלהם לתוך מבנה רב-שכבתי.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מספק שיטה פשוטה של בודה גיליונות הידרוג'ל מודולרי, והרכבתם כדי ליצור פיגומים סלולריים 3D.
לבנות מבני אלגינט דוגמת ברור בזמן קצר, אנחנו צריכים לזהות תהליך cross-linking שיכול ליצור מבנים קשיחים מספיק כדי לשמור על micropatterns…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
