بناء وحدات صفائح هيدروجيل لتحجيم الكلي Micropatterned 3D الخلوية العمارة
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
ويمكن نمط الهلاميات المائية على النطاق الصغير باستخدام تقنيات الموائع الدقيقة أو micropatterning إلى توفير في الجسم الحي تشبه الهندسة ثلاثية الأبعاد (3D) الأنسجة. وقد أدخلت الناتجة يبني على أساس هيدروجيل 3D الخلوية كبديل للالتجارب على الحيوانات للدراسات البيولوجية المتقدمة، المقايسات الدوائية والتطبيقات زرع الأعضاء. على الرغم من أن الجزيئات على أساس هيدروجيل والألياف يمكن أن تكون ملفقة بسهولة، فمن الصعب التلاعب بها لإعادة بناء الأنسجة. في هذا الفيديو، ونحن تصف طريقة لتصنيع صفائح الجينات هيدروجيل micropatterned، جنبا إلى جنب مع التجمع لتشكيل خلية نظام الثقافة 3D الماكرو النطاق مع المكروية الخلوية التي تسيطر عليها. باستخدام نموذج ضباب وكيل التبلور الكالسيوم، يتم إنشاء ورقة هيدروجيل رقيقة بسهولة مع سمك في حدود 100-200 ميكرون، ومع micropatterns دقيق. ويمكن بعد ذلك مثقف الخلايا مع التوجيه الهندسي للأوراق هيدروجيل فيشروط قائما بذاته. وعلاوة على ذلك، فإن ورقة هيدروجيل يمكن التلاعب بها بسهولة باستخدام micropipette مع تلميح نهاية المعالم، ويمكن تجميعها في هياكل متعددة الطبقات بتكويمهم باستخدام polydimethylsiloxane نمط (PDMS) الإطار. هذه الأوراق هيدروجيل وحدات، والتي يمكن أن تكون ملفقة باستخدام عملية السطحية، لها تطبيقات محتملة في المختبر فحوصات المخدرات والدراسات البيولوجية، بما في ذلك الدراسات الفنية الدقيقة وmacrostructure وإعادة الإعمار الأنسجة.
Introduction
الهلاميات المائية بشكل خاص الحيوية واعدة، ويتوقع أن تكون مهمة في البيولوجيا الأساسية، المقايسات الدوائية والطب. وقد اقترح 1 Biofabrication من بنيات الخلوية القائم على هيدروجيل للحد من استخدام التجارب على الحيوانات، 2،3 استبدال أنسجة للزرع و 4 و تحسين المقايسات خلية القاعدة. 5،6 التي تحتوي على المياه (الكهرومائية) المواد اللزجة (الهلام) تسمح لعدد كبير من الخلايا لتكون مغلفة وصيانتها في بنية سقالة للسيطرة على المكروية الخلوية 3D. في تركيبة مع توجيه التكنولوجيات ميكروفلويديك أو micropatterning، الهندسة للبنيات هيدروجيل يمكن التحكم بدقة في نطاق الخلوية. حتى الآن، ومجموعة متنوعة من الأشكال من الهلاميات المائية، بما في ذلك الجزيئات، 7-9 الألياف، 10-12 ووريقات 13-15 وقد استخدمت وحدات البناء في APPRO من أسفل إلى أعلىأوجاع لتصنيع الماكرو النطاق أبنية متعددة الخلايا.
وكانت كل من الجسيمات القائم على هيدروجيل والألياف ملفقة بسهولة وبسرعة لتطبيقات عن البيئات الخلوية الصغيرة الحجم، مع وجود ضوابط الموائعية باستخدام أجهزة ميكروفلويديك. لكن، وكما الوحدات الأساسية للأنسجة هندسيا، سيكون معقدا لإعادة ترتيبها وتكبير حجمها كما يبني المستوى الكلي. 16 ومن الأصعب لتحقيق بنيات الكلية تحجيمها من لإنتاج وحدات الأساسية ميكرون الحجم. وحدات ورقة مثل من يبني على أساس هيدروجيل يمكن استخدامها لزيادة حجم السقالات عن طريق عملية التجميع بسيطة. ويترتب على ذلك طبقات مكدسة من الأوراق هيدروجيل توفر ليس فقط زيادة الحجمية ولكن أيضا تمديد هندسية في الفضاء 3D.
لقد ذكرت سابقا وسيلة لافتعال صحائف هيدروجيل micropatterned، 13-15 جنبا إلى جنب مع تجميع هذه الجزيئات متعددة تسريحأبنية الخلوية الدو. تقنية تمكن micropatterning معقدة وتصميم وحدات من البنى الخلوية عن طريق عملية زرع هياكل متعددة الطبقات. من خلال تلفيق مكدسة ورقة هيدروجيل وحدات، والتي micropatterned، نظام زراعة الخلايا 3D مع المكروية الخلوية المستوى الكلي التي تسيطر عليها لا يمكن أن تتحقق. يصف هذا البروتوكول فيديو طريقة تصنيع بسيطة لكنها قوية والتي يمكن استخدامها لبناء وحدات صفائح هيدروجيل، استنادا إلى الكبد البشري خط خلية سرطان (HepG2). علينا أن نبرهن تلاعب بسيط هنا من هذه الأوراق هيدروجيل حدات منقوشة، وتجميعها في هيكل متعدد الطبقات.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر هذا البروتوكول طريقة بسيطة لافتعال صحائف هيدروجيل وحدات، وتجميع لهم لتشكيل السقالات الخلوية 3D.
لبناء واضحة الهياكل الجينات منقوشة في وقت قصير، يجب أن نحدد عملية عبر ربط التي يمكن أن تخلق هياكل جامدة بما فيه الكفاية للحفاظ ع…
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).
