مقالة منهجية

الهلاميات الدقيقة والمواد الهلامية الحبيبية: من السقالات القابلة للحقن والأحبار الحيوية إلى دعامات الطباعة ثلاثية الأبعاد

580 مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/64998

⸱

يوليو 14, 2023

1Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine, reNEW, Copenhagen University

في هذه المقالة

الملخص

المقالات التي تمت مناقشتها:

  1. موير ، في جي ، برندرغاست ، إم إي ، بورديك ، جيه إيه تجزئة الهلاميات المائية السائبة ومعالجتها في الهلاميات المائية الحبيبية للتطبيقات الطبية الحيوية. مجلة التجارب المتصورة. (183) ، e63867 (2022).
  2. ستاجر ، إم إيه ، إريكسون ، سي بي ، باين ، ك. أ. ، كريبس ، إم دي تصنيع المواد الهلامية الدقيقة التي يتم التحكم فيها بالحجم والخالية من المستحلب لتطبيقات هندسة الأنسجة. مجلة التجارب المتصورة. (182) ، e63857 (2022).
  3. أندرسون ، إيه آر ، سيجورا ، ت. التحكم في جزء الجسيمات في سقالات الجسيمات الملدنة الصغيرة التي يسهل اختراقها لثقافة الخلايا ثلاثية الأبعاد. مجلة التجارب المتصورة. (188) ، e64554 (2022).
  4. Roosa، C. et al. تخليق الموائع الدقيقة للكتل الأساسية microgel لسقالة الجسيمات الملدنة الصغيرة التي يسهل اختراقها. مجلة التجارب المتصورة. (184) ، e64119 (2022).
  5. Rommel، D.، Vedaraman، S.، Mork، M.، De Laporte، L. سقالات ثلاثية الأبعاد كبيرة مسامية مترابطة من قضبان microgel. مجلة التجارب المتصورة. (184) ، e64010 (2022).
  6. Luo، S. -C.، Wang، Y.، Kankala، R.K.، Zhang، Y.S.، Chen، A. -Z. تصنيع الكريات المجهرية المسامية عالية الفتح (HOPMs) عبر تقنية الموائع الدقيقة. مجلة التجارب المتصورة. (183) ، e63971 (2022).
  7. Machour، M.، Szklanny، A. A.، Levenberg، S. تصنيع اللوحات الوعائية الهندسية باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد. مجلة التجارب المتصورة. (183) ، e63920 (2022).
  8. Jalandhra ، G. ، Romanazzo ، S. ، Nemec ، S. ، Roohani ، I. ، Kilian ، K. A. الطباعة الحيوية الخزفية متعددة الاتجاهات في المعلقات المحملة بالخلايا لتوليد نظائر العظام. مجلة التجارب المتصورة. (186) ، e63943 (2022).
  9. Kajtez، J.، Radeke، C.، Lind، J. U.، Emneus، J. دعم مركب المصفوفة خارج الخلية Microgel للطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة للتركيبات العصبية البشرية. مجلة التجارب البصرية. (195) e65158 (2023).
  10. كبار السن ، J. J. et al. المواد الهلامية السائلة Agarose التي تشكلت عن طريق معالجة القص أثناء الهلام للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد المعلقة. مجلة التجارب المتصورة. (195) ، e64458 (2022).
  11. عطائي ، ز. ، جابري ، أ. ، خير أبادي ، س. ، ريسبود ، أ. ، شيخي ، أ. سقالات هيدروجيل حبيبية ميثاكريلويل الجيلاتين: تصنيع ميكروجيل عالي الإنتاجية ، والتجميد بالتجميد ، والتجميع الكيميائي ، والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد. مجلة التجارب المتصورة. (190) ، e64829 (2022).

افتتاحية

برزت تقنية Microgel كأداة قوية ومتعددة الاستخدامات للطب التجديدي وتطبيقات هندسة الأنسجة1. تماما مثل نظيراتها السائبة ، تتميز المواد الهلامية الدقيقة بمحتوى مائي عال ، وخصائص فيزيائية وكيميائية قابلة للضبط ، وتقليد البيئة الأصلية خارج الخلية. نظرا للتقدم في تقنيات التصنيع ، يمكن إنتاج المواد الهلامية الدقيقة بأشكال وأحجام مختلفة من مجموعة من البوليمرات الطبيعية والاصطناعية. يمكن استخدامها أيضا لتغليف الخلايا والعلاجات الخاضعة للرقابة. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية للمواد الهلامية الدقيقة مقارنة بالمواد الهلامية المائية السائبة التقليدية في أنها قابلة للحقن بسهولة مما يسمح بالتوصيل طفيف التوغل للشحنات الخلوية أو الأدوية أو السقالات البيولوجية لإصلاح الأنسجة. علاوة على ذلك ، يمكن الوصول بسهولة إلى أنظمة الميكروجيل المعيارية عن طريق خلط مجموعات الهلام الدقيقة ذات الخصائص المميزة ، بينما يوفر تضمين المواد الهلامية الدقيقة في الهلاميات المائية التقليدية طريقا نحو مركبات المادة اللينة. عندما يتم تعبئة العديد من المواد الهلامية الدقيقة في حالة محشورة ، فإنها تؤدي إلى ظهور مواد هلامية حبيبية ، ومواد سائبة ذات خصائص ديناميكية كبيرة يمكن الاستفادة منها إما كحمام دعم للطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) المدمجة أو كأحبار طباعة ثلاثية الأبعاد. تستكشف هذه المجموعة من المقالات مجموعة واسعة من طرق صياغة وتصنيع الميكروجيل ، بالإضافة إلى استخدامها في التطبيقات الطبية الحيوية المحتملة.

هناك حاجة ماسة إلى مناهج فعالة من حيث التكلفة وخالية من المستحلب وغير متطلبة من الناحية التكنولوجية لتوليد المواد الهلامية الدقيقة بكميات كبيرة. لمعالجة هذا الأمر ، موير وآخرون أظهر بروتوكولا أنيقا لتوليد الهلاميات الدقيقة لحمض الهيالورونيك المعدل بالنوربورنين (HA) عبر تجزئة البثق2. تم بثق الهلاميات المائية السائبة المتشابكة بالصور من خلال سلسلة من الإبر بأقطار أصغر بالتسلسل. ثم تم تشويش جزيئات الميكروجيل المجزأة الناتجة عن طريق الترشيح المدفوع بالفراغ لتشكيل هيدروجيل حبيبي معبأ بإحكام يمكن استخدامه كحبر للطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق. Stager et al. قدم نهج تجزئة آخر حيث تم بثق هيدروجيل الشيتوزان المتشابك من خلال مرشح شبكي لتوليد جزيئات ميكروجيل بحجم3 متحكم فيه. ثم تبين أن الهلاميات المائية المجزأة تعزز تجديد أنسجة الغضروف عند استخدامها في نموذج الفئران المصابة بإصابة صفيحة النمو.

يؤدي ربط جزيئات الميكروجيل المحشورة معا إلى ظهور هلاميات مائية حبيبية صلبة وسقالات سائبة مسامية ذات بنى دقيقة فريدة. أندرسون وآخرون قدم بروتوكولا للجيل القائم على الموائع الدقيقة من المواد الهلامية الدقيقة HA القابلة للربط الضوئي والتي يتم تجفيفها لاحقا بالتجميد دون الإضرار بشبكة البوليمر4. يؤدي الجفاف الخاضع للرقابة للمواد الهلامية المجففة بالتجميد والترابط اللاحق عبر مخطط التشابك ثنائي التعامد إلى تكوين سقالات HA مسامية مع جزء جسيمات متحكم فيه ، أظهر المؤلفون أنه يؤثر بشكل كبير على تسلل الخلايا وهجرتها. وصف Roosa et al. طريقة لتخليق الموائع الدقيقة عالية الإنتاجية لكميات كبيرة من المواد الهلامية الدقيقة البولي إيثيلين جلايكول (PEG)5. ثم يوضح المؤلفون مناهج تنقية الميكروجيل ، وتوصيف الجسيمات الدقيقة الأساسية ، وتلدين الجسيمات بناء على آلية التشابك الثانوية لتشكيل سقالة صغيرة يسهل اختراقها. عرض روميل وآخرون نهجا لتوليد سقالات صلبة ذات مسامية متزايدة من خلال استخدام جزيئات الميكروجيل متباينة الخواص6. لقد استفادوا من الموائع الدقيقة التي تركز على التدفق لإنشاء قضبان ميكروجيل من بوليمرات star-PEG بنسب عرض إلى ارتفاع يمكن التحكم فيها. يمكن استخدام سقالات قضيب microgel الملدنة كبيئة ثلاثية الأبعاد لتجارب الخلايا. لوه وآخرون أظهر طريقة لتوليد كريات مجهرية مسامية مفتوحة للغاية عبر نهج موائع دقيقة بسيط يمكن استخدامه لتوصيل الخلايا أو البيولوجيا7.

الخصائص الريولوجية الفريدة للمواد الهلامية الحبيبية تجعلها دعامات مثالية للطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة للهلاميات المائية الناعمةوالخلايا 8. Machour et al. جمع بين نهج للطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة داخل المواد الهلامية الحبيبية الجيلاتين مع الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على القوالب القربانية لإنشاء لوحات الأنسجة الهندسية9. تم الاستفادة من هذه الطريقة الهجينة لإنشاء شبكة وعائية هرمية من الحبر القائم على الكولاجين الممزوج بالخلايا البطانية. ثم تم زرع السديلة الهندسية مباشرة في شريان الفخذ للفئران. أظهر Jalandhra et al. نهجا لإنشاء هياكل تحاكي العظام من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة لحبر السيراميك القائم على فوسفات الكالسيوم داخل هلام حبيبي محمل بالخلايا مصنوع من الجيلاتين ميثاكريلات (GelMA) microgels10. تم تلدين الدعامة الحبيبية بعد الطباعة لتقديم الدعم لنمو الخلايا حول الهياكل المصممة لمحاكاة العظام. استخدم Kajtez et al. الطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة لإنشاء تركيبات الأنسجة العصبية القائمة على الخلايا الجذعية البشرية11. لقد طوروا مادة دعم الطباعة المركبة التي تجمع بين الهلام الدقيقي الألجينات ومحلول المصفوفة خارج الخلية القائم على الكولاجين. التشابك اللطيف للكولاجين الصلب، دعم الطباعة لتوفير بيئة مواتية لتمييز الخلايا الجذعية العصبية إلى الخلايا العصبية الوظيفية. استفاد Senior et al. من معالجة القص أثناء نهج التبلور لإنشاء حمام دعم قائم على الاغاروز للطباعة ثلاثية الأبعاد المدمجة12. تتيح الخصائص الحرارية للاغاروز زراعة تركيبات الهيدروجيل المطبوعة المحملة بالخلايا دون إذابة حمام الدعم.

تقدم أحبار microgel المحشورة طريقا للطباعة ثلاثية الأبعاد التي يمكن التحكم فيها لأي هيدروجيل يصعب طباعته بسبب اللزوجة المنخفضة أو ديناميكيات التشابك التي يصعب التحكمفيها 13. كأحبار ميكروجيل ، يمكن طباعة الهلاميات المائية بطريقة تقليدية طبقة تلو الأخرى أو في حمام معلق. يمكنهم أيضا استيعاب الخلايا لتشكيل أحبار حيوية حبيبية. على هذا النحو ، توفر الأحبار الحيوية الحبيبية حلا للطباعة الحيوية للمواد غير المتوافقة مع الطرق التقليدية التي قد تتطلب إضافات أو ظروف تشابك ضارة بالخلايا. يوفر Zaman et al. طريقة تعزز قابلية طباعة هذه الأحبار من خلال برمجة الهلاميات المائية GelMA مع التجميع الذاتي للجسيمات النانوية البينية القابلة للانعكاس14. نظرا للتفاعلات المتغيرة بين الجسيمات ، يمكن طباعة الأحبار الحيوية الحبيبية الناتجة الهندسة النانوية بكثافة تعبئة أقل مما يسمح بصياغة أحبار حيوية حبيبية مع زيادة المسامية الدقيقة المحفوظة جيدا طوال عملية الطباعة. علاوة على ذلك ، يصف المؤلفون منهجية لتوليد الجسيمات الدقيقة الهيدروجيل عالية الإنتاجية ، والتحويل إلى الهلاميات الهوائية الدقيقة ، والتلدين بالحبر الحبيبي باستخدام ترانسجلوتاميناز

باختصار ، توفر هذه المجموعة من المقالات إرشادات عملية مفصلة لمجموعة واسعة من تطبيقات تقنية الميكروجيل. لا تصف المجموعة استخدام مواد هيدروجيل مختلفة وآليات التشابك فحسب ، بل تقدم أيضا العديد من تقنيات التصنيع لتوليد الجسيمات الدقيقة للهيدروجيل. الأهم من ذلك ، توفر المجموعة معلومات مفيدة حول كيفية استخدام الجسيمات الدقيقة هيدروجيل للطباعة ثلاثية الأبعاد والطب التجديدي ، وهي تطبيقات واعدة للغاية لتقنيات الجل الدقيقي والهلام الحبيبي.

الإفصاحات

المؤلف ليس لديه ما يفصح عنه.

شكر وتقدير

المؤلف ليس لديه أي اعترافات.

المراجع

  1. Daly, A. C., Riley, L., Segura, T., Burdick, J. A. Hydrogel microparticles for biomedical applications. Nature Reviews Materials. 5 (1), 20-43 (2020).
  2. Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. Fragmenting bulk hydrogels and processing into granular hydrogels for biomedical applications. Journal of Visualized Experiments. (183), e63867(2022).
  3. Stager, M. A., Erickson, C. B., Payne, K. A., Krebs, M. D. Fabrication of size-controlled and emulsion-free chitosan-genipin microgels for tissue engineering applications. Journal of Visualized Experiments. (182), e63857(2022).
  4. Anderson, A. R., Segura, T. Controlling particle fraction in microporous annealed particle scaffolds for 3D cell culture. Journal of Visualized Experiments. (188), e64554(2022).
  5. Roosa, C., et al. Microfluidic synthesis of microgel building blocks for microporous annealed particle scaffold. Journal of Visualized Experiments. (184), e64119(2022).
  6. Rommel, D., Vedaraman, S., Mork, M., De Laporte, L. Interlinked macroporous 3D scaffolds from microgel rods. Journal of Visualized Experiments. (184), e64010(2022).
  7. Luo, S. -C., Wang, Y., Kankala, R. K., Zhang, Y. S., Chen, A. -Z. Fabricating highly open porous microspheres (HOPMs) via microfluidic technology. Journal of Visualized Experiments. (183), e63971(2022).
  8. McCormack, A., Highley, C. B., Leslie, N. R., Melchels, F. P. W. 3D printing in suspension baths: keeping the promises of bioprinting afloat. Trends in Biotechnology. 38 (6), 584-593 (2020).
  9. Machour, M., Szklanny, A. A., Levenberg, S. Fabrication of engineered vascular flaps using 3D printing technologies. Journal of Visualized Experiments. (183), e63920(2022).
  10. Jalandhra, G., Romanazzo, S., Nemec, S., Roohani, I., Kilian, K. A. Ceramic omnidirectional bioprinting in cell-laden suspensions for the generation of bone analogs. Journal of Visualized Experiments. (186), e63943(2022).
  11. Kajtez, J., Radeke, C., Lind, J. U., Emneus, J. Microgel-extracellular matrix composite support for embedded 3D printing of human neural constructs. Journal of Visual Experiments. (195), 65158(2023).
  12. Senior, J. J., et al. Agarose fluid gels formed by shear processing during gelation for suspended 3D bioprinting. Journal of Visualized Experiments. (195), 64458(2022).
  13. Highley, C. B., Song, K. H., Daly, A. C., Burdick, J. A. Jammed microgel Inks for 3D printing applications. Advanced Science. 6 (1), (2019).
  14. Ataie, Z., Jaberi, A., Kheirabadi, S., Risbud, A., Sheikhi, A. Gelatin methacryloyl granular hydrogel scaffolds: high-throughput microgel fabrication, lyophilization, chemical assembly, and 3D bioprinting. Journal of Visualized Experiments. (190), e64829(2022).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

3D PrintingTissue EngineeringHydrogel FabricationMicrofluidic SynthesisScaffold FabricationBioprinting TechnologiesExtracellular Matrix CompositesGelation ProcessingAgarose Fluid Gels

مقالات ذات صلة