Protocollen van 3D Bioprinting van gelatine Methacryloyl hydrogel gebaseerde Bioinks
Summary
Hier gepresenteerd is een methode voor de 3D bioprinten van gelatine methacryloyl.
Abstract
Gelatine methacryloyl (GelMA) is uitgegroeid tot een populair biomateriaal op het gebied van bioprinting. De afleiding van dit materiaal is gelatine, die is gehydrolyseerd uit zoogdieren collageen. Zo, de arginine-Glycine-Aspartic acid (RGD) sequenties en doel motieven van Matrix metalloproteinase (MMP) blijven op de moleculaire ketens, die helpen bij het bereiken van celhechting en afbraak. Bovendien zijn de vormings eigenschappen van GelMA veelzijdig. Door de methacrylamidegroepen kan een materiaal snel worden gecrosslinkt onder licht bestraling in aanwezigheid van een foto initiator. Daarom is het verstandig om geschikte methoden te creëren voor het synthetiseren van driedimensionale (3D) structuren met dit veelbelovende materiaal. De lage viscositeit beperkt echter de bedrukbaarheid van GelMA. Hier zijn methoden om 3D-bioprinten van gelma-hydrogels uit te voeren, namelijk de fabricage van gelma-microsferen, gelma-vezels, gelma-complexe structuren en op gelma gebaseerde microfluïdische chips. De resulterende structuren en biocompatibiliteit van de materialen en de druk methoden worden besproken. Er wordt aangenomen dat dit protocol kan fungeren als een brug tussen eerder toegepaste biomaterialen en GelMA, en ook bijdragen tot de oprichting van GelMA-gebaseerde 3D-architecturen voor biomedische toepassingen.
Introduction
Hydrogels worden beschouwd als een geschikt materiaal op het gebied van biofabricage1,2,3,4. Onder hen is gelatine methacryloyl (GelMA) uitgegroeid tot een van de meest veelzijdige biomaterialen, aanvankelijk voorgesteld in 2000 door van den Bulcke et al.5. GelMA wordt gesynthetiseerd door de directe reactie van gelatine met methacrylaatanhydride (MA). De gelatine, die wordt gehydrolyseerd door het zoogdier collageen, bestaat uit doel motieven van Matrix metalloproteinase (MMP). Zo kunnen in vitro driedimensionale (3D) weefsel modellen die door GelMA zijn vastgesteld, idealiter de interacties tussen cellen en extracellulaire matrix (ECM) in vivo nabootsen. Bovendien, arginine-Glycine-Aspartic acid (RGD) sequenties, die afwezig zijn in sommige andere hydrogels zoals alginaten, blijven op de moleculaire ketens van GelMA. Dit maakt het mogelijk om de gehechtheid van ingekapselde cellen in de hydrogel netwerken6te realiseren. Daarnaast is de vorming van GelMA veelbelovend. De methacrylamidegroepen op de GelMA-moleculaire ketens reageren met de foto initiator onder milde reactieomstandigheden en vormen covalente bindingen bij blootstelling aan licht bestraling. Daarom kunnen de gedrukte structuren snel worden gecrosslinkt om de ontworpen vormen op een eenvoudige manier te onderhouden.
Op basis van deze eigenschappen maakt een reeks velden gebruik van GelMA om verschillende toepassingen uit te voeren, zoals weefsel techniek, basis cytologie-analyse, geneesmiddelen screening en biosensing. Dienovereenkomstig zijn er ook verschillende fabricage strategieën aangetoond7,8,9,10,11,12,13,14. Het is echter nog steeds een uitdaging om 3D-bioprinten uit te voeren op basis van gelma, wat te wijten is aan de fundamentele eigenschappen. GelMA is een temperatuurgevoelig materiaal. Tijdens het drukproces moet de temperatuur van de druk atmosfeer streng worden gecontroleerd om de fysische toestand van de bioink te behouden. Behalve, de viscositeit van GelMA is over het algemeen lager dan andere gemeenschappelijke hydrogels (dat wil zeggen, alginaat, Chitosan, hyaluronzuur, enz.). Er zijn echter andere obstakels voor het bouwen van 3D-architecturen met dit materiaal15.
Dit artikel bevat een overzicht van verschillende benaderingen voor de 3D bioprinten van gelma voorgesteld door ons lab en beschrijft de gedrukte monsters (dat wil zeggen, de synthese van gelma microsferen, gelma vezels, gelma complexe structuren, en gelma gebaseerde microfluïdische chips). Elke methode heeft gespecialiseerde functies en kan in verschillende situaties met verschillende eisen worden aangenomen. GelMA microsferen worden gegenereerd door een elektrogeassisteerde module, die extra externe elektrische kracht vormt om de druppelgrootte te verkleinen. In termen van gelma vezels worden ze geëxtrudeerd door een coaxiale bioprinten nozzle met behulp van viskeuze natrium alginaat. Daarnaast wordt de totstandbrenging van complexe 3D-structuren bereikt met een digitale licht verwerking (DLP) bioprinter. Ten slotte wordt een twee keer crosslinking-strategie voorgesteld om op GelMA gebaseerde microfluïdische chips te bouwen, waarbij GelMA-hydrogel en traditionele microfluidische chips worden gecombineerd. Er wordt aangenomen dat dit protocol is een belangrijke samenvatting van de gelma bioprinten strategieën gebruikt in ons lab en kunnen inspireren andere onderzoekers in relatieve velden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel beschrijft verschillende strategieën om GelMA 3D-constructies te fabriceren, namelijk GelMA-microsferen, GelMA-vezels, GelMA-complexe structuren en op GelMA gebaseerde microfluïdische chips. GelMA heeft veelbelovende biocompatibiliteits-en vormings capaciteiten en wordt op grote schaal gebruikt op het gebied van biofabricage. Microsphere structuren zijn geschikt voor gecontroleerde drug afgifte, weefsel culturing, en injectie in organismen voor verdere therapie21,<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesponsord door het National Key Research and Development Program van China (2018YFA0703000), de National Nature Science Foundation of China (No. U1609207, 81827804), het wetenschaps Fonds voor creatieve onderzoeksgroepen van de National Natural Science Oprichting van China (nr. 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).
