本文描述了利用微流控装置进行高通量明胶甲基丙烯酰基微凝胶制备的实验方案,将微凝胶转化为可再悬浮粉末(微气凝胶),通过化学组装微凝胶形成颗粒状水凝胶支架,以及开发具有保留微孔结构的颗粒状水凝胶生物墨水用于3D生物打印。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文描述了利用微流控装置进行高通量明胶甲基丙烯酰基微凝胶制备的实验方案,将微凝胶转化为可再悬浮粉末(微气凝胶),通过化学组装微凝胶形成颗粒状水凝胶支架,以及开发具有保留微孔结构的颗粒状水凝胶生物墨水用于3D生物打印。
颗粒状水凝胶支架(GHS)的出现,经制备 通过 组装水凝胶微粒(HMPs)已实现多孔微结构支架的构建 原位与传统的块状水凝胶不同,GHS中的相互连通的微米级孔隙可促进细胞浸润以及氧气、营养物质和细胞代谢产物的传递,且不依赖于材料降解。甲基丙烯酰化修饰的明胶(GelMA)是一种含有细胞黏附和可生物降解功能基团的(光)化学交联性蛋白基生物聚合物,已被广泛用作细胞响应性/指导性生物材料。将块状GelMA转化为GHS 可能为组织工程与再生医学开辟大量机遇。本文中,我们展示了高通量制备 GelMA 微凝胶、转化为可再悬浮的干燥微凝胶(微气凝胶)以及 GHS 形成的实验步骤 通过 微凝胶的化学组装及颗粒状生物墨水的制备用于挤出式生物打印。我们展示了如何通过连续的物理化学处理 通过 冷却和光交联可实现机械强度高的GHS的形成。 当光线无法到达时(例如,深层组织注射过程中)可对单个交联的 GelMA 微凝胶进行生物正交组装 通过 使用转谷氨酰胺酶进行酶促交联。最后,微孔GHS的三维(3D)生物打印 在低HMP包装密度下得到证实 通过 异质电荷纳米粒子的界面自组装
将HMP结构单元组装成组织工程支架在近年来受到广泛关注1. 促生长激素,制备完成 通过 HMP组装体与其块体材料相比具有独特性质,包括源于离散结构单元间空隙的细胞尺度微孔结构。其他特性如可注射性、模块化设计以及刚度与孔隙率的解耦,使GHS 一种有前景的平台,可增强组织修复与再生2已采用多种生物材料用于GHS的制备,包括合成的聚乙二醇(PEG)基聚合物3,4 以及多糖类物质,如海藻酸盐5 和透明质酸6,7在天然来源的聚合物中,最常用于水凝胶微球(GHS)制备的蛋白质类生物聚合物是 GelMA。8,9,10,11一种可交联、生物相容、生物粘附且可生物降解的生物材料12,13.
HMPs 可能被制备 通过 批量乳化8,流动聚焦14,15 或分步乳化法9,11 微流控设备,混合16或复合凝聚17,18通常,制备通量与HMP的单分散性之间存在权衡。例如,混合法得到的HMP形状不规则且高度多分散。批量乳化或复合凝聚法可用于生产大量多分散的球形HMP。流动聚焦式微流控装置已被用于制备高度单分散的液滴,其变异系数为 <5%,但通量显著较低。在阶梯式乳化微流控装置中,高度并行的步骤实现了单分散HMPs的高通量制备19.
甲基丙烯酰化修饰的明胶(GelMA)微凝胶前体具有热响应性和(光)化学交联能力,可实现简便的 GelMA 水凝胶结构制备20. 当冷却至上临界溶解温度(UCST)以下时21 (例如,在 4 °C 条件下),含有 GelMA 溶液的液滴转化为物理交联的水凝胶微粒(HMP)。随后,这些 HMP 基元通过外力(例如, 通过 离心)以形成致密堆积的微凝胶悬浮液。相邻HMPs之间形成粒子间连接 通过 通过(光)化学交联形成机械强度高的GHS14GHS 最重要的特性之一 具有微孔结构,可实现细胞的便捷穿透 体外11 并促进组织长入 体内22三维(3D)生物打印水凝胶微粒(HMPs)通常采用紧密堆积的微凝胶悬浮液进行,这会降低微孔隙率。23.
我们近期开发了一类新型颗粒状生物墨水,该墨水基于通过异质带电纳米颗粒的吸附及纳米颗粒可逆自组装,对 GelMA 微凝胶进行界面纳米工程化修饰。via 这一策略,使松散堆积的微凝胶具备剪切屈服性和可挤出的 3D 生物打印能力,同时保留了增材制造 GelMA 多孔水凝胶支架(GHS)的微米级孔隙结构11。本文介绍了高通量 GelMA 液滴制备、将液滴转化为物理交联的 GelMA 微粒(HMP)、利用可再分散粉末制备 GelMA HMP、GelMA GHS 的形成、GelMA 纳米工程化颗粒生物墨水(NGB)的制备以及 3D 生物打印的方法。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
注意:有关本实验方案中使用的所有材料、仪器和试剂的详细信息,请参见材料表。
1. GelMA 的合成
注意: GelMA 的合成应在化学通风橱中进行,并始终佩戴适当的个人防护装备(PPE)。

图1GelMA 的合成与表征 (A) GelMA 合成反应。明胶在 50 °C 2小时。B质子核磁共振(1明胶及 GelMA 的氢核磁共振(¹H NMR)谱图:(a)作为校准参考的芳香酸峰,(b)明胶经甲基丙烯酸酐(MA)修饰后出现的乙烯基官能团峰,以及(c)赖氨酸蛋白峰。本示例中,MA 的取代度为 71% ± 3%n = 3)。此图已经 Ataie 等人许可修改。11 缩写:GelMA = 明胶甲基丙烯酰基;DPBS = 杜氏磷酸盐缓冲液;MA = 甲基丙烯酰基 请点击此处以查看此图的放大版本。
2. 高通量 GelMA 微凝胶制备
3. 将微凝胶转化为可重悬粉末 通过 微工程乳液转粉末(MEtoP)技术
注意:已开发出一种MEtoP技术,可将基于油包水乳液的HMPs转化为具有保留特性的微粒粉末(微气凝胶),如可再悬浮性、形状、大小和组装结构。

图2: GelMA微粒粉末制备 通过 MEtoP 技术 (A) 通过MEtoP技术或常规冷冻干燥法从HMP制备的GelMA粉末图像。在MEtoP技术或常规冷冻干燥过程中,HMP分别悬浮于油-表面活性剂体系或水相介质中。工程流体可保护分散相(HMP)免于聚集,并在冷冻干燥过程中维持GelMA微粒的理化性质。B干燥HMPs制备的示意图 通过 与传统冻干HMP在水介质中的MEtoP相比。(C干燥的 GelMA 微粒的扫描电镜图像 通过 与传统冷冻干燥相比的MEtoP。比例尺 = 2 mm(左; A), 500 µm (右侧; A), 10 µm (左侧; C),以及 200 µm (右侧; C)。该图经 Sheikhi 等人许可修改。26 缩写:GelMA = 明胶甲基丙烯酰;DPBS = 杜氏磷酸盐缓冲液;MEtoP = 微工程乳液转粉末;HMP = 水凝胶微粒;SEM = 扫描电子显微镜。 请点击此处以查看此图的放大版本。
4. GelMA水凝胶的形成
注意:本方案适用于制备 400 µL 微凝胶悬浮液。如需更大体积,需进行相应放大。为保持 GelMA 微凝胶颗粒(HMPs)的物理交联状态,所有操作步骤均需在约 4 °C 条件下进行,可将微凝胶容器置于冰水混合物中完成。
5. 用于3D生物打印并保持微孔结构的纳米工程化颗粒生物墨水(NGB)

图3:GelMA微凝胶与GHS形成的示意图。(A)GelMA微凝胶从油相中分离及NGB制备的示意图。将PFO(在工程流体中占20% v/v)以1:1的体积比加入GelMA微凝胶-油乳液中,随后涡旋混合并在300 × g条件下离心15秒。为制备GelMA GHS,将PI溶液(LAP 0.1% w/v溶于DPBS)加入GelMA HMPs中,随后涡旋混合并在3,000 × g条件下离心15秒。为制备NGB,将PI溶液(LAP 0.1% w/v溶于超纯水)和纳米片分散液(3% w/v溶于超纯水)加入GelMA HMP悬浮液中,随后涡旋混合并在3,000 × g条件下离心15秒。图3A经Ataie, Z. et al.11许可修改。(B)对紧密堆积的GelMA HMPs进行光照可形成GHS。图3B经Sheikhi et al.15许可修改。缩写:GelMA = gelatin methacryloyl;GHS = granular hydrogel scaffold;NGB = nanoengineered granular bioink;PFO = 1H,1H-perfluoro-1-octanol;PI = photoinitiator;LAP = lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate;HMP = hydrogel microparticle;DPBS = Dulbecco's phosphate-buffered saline。请点击此处查看该图的放大版本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
GelMA 通过明胶与 MA 的反应合成,如图所示 图1A通过调节反应条件(如甲基丙烯酸酐(MA)浓度),获得了不同取代程度的MA。为了量化MA的取代度,对GelMA进行了评估 通过 1H NMR 谱学(图1B)。在化学位移约5-6 ppm处出现的乙烯基特征峰,证实了明胶成功合成为甲基丙烯酰化明胶(GelMA)。经透析和无菌过滤后的反应产率 >70%(GelMA质量/明胶质量)。液滴/微凝胶的制备产率约为100%。可采用不同方法来定量取代度24我们根据公式(评估了赖氨酸氨基酸(伯胺)的减少量,以未受影响的芳香族酸质子为基准进行归一化处理。1).
HMPs 通常悬浮于水相介质中,例如 DPBS 或细胞培养基。HMPs 的水合状态可能在灭菌、运输、储存及长期稳定性方面带来多种挑战。MEtoP 是一种新型方法,可将 HMPs 转化为干燥粉末,同...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
明胶及其衍生物是用于HMP制备的最常用的基于蛋白质的生物材料。利用阶梯乳化微流控装置,可以克服通量与颗粒尺寸单分散性之间的权衡挑战。这些装置每小时可生成超过4000万个液滴,变异系数小于5%27。本文讨论了含有GelMA溶液的液滴的微加工制备,随后将其转化为GelMA HMPs、粉末、GHS和NGB。
GelMA 的热响应性使其能够通过微流控技术便捷地制备和稳定水凝胶微颗粒(HMP)。当温度高于其上临界溶解温度(UCST,例如 37 °C)时,GelMA 可溶于水溶液,形成适合在阶梯式乳化装置中进行水包油乳液生成的水相流体。降低温度(例如至 4 °C)可在液滴形成后通过物理交联诱导 GelMA HMP 的形成。via 多种方法,GelMA HMP 可作为制备颗粒水凝胶支架(GHS)的基本单元。这些热不稳定的 HMP 可通过光组装形成机械强度高的 GHS,其压缩模量在所有报道的颗粒支架中(不包括互穿渗透网络)达到最高水平之一28。在光组装过程中,所有操作均需在低温(例如 ...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者声明无利益冲突。
作者谨此感谢宾夕法尼亚州立大学(Penn State)化学工程系研究支持专家 T. Pond、宾夕法尼亚州立大学纳米制造实验室的工作人员,以及 Partillion Bioscience 公司的 J. de Rutte 博士,他们在纳米制造工艺方面提供了帮助与讨论。A. Sheikhi 感谢材料研究所(MRI)、工程学院“人类水平”种子基金项目 Materials Matter、共融中心“活体多功能材料系统”(LiMC2)、卓越集群“活体、适应性与能量自主材料系统”(livMatS)的活体多功能材料合作研究种子基金项目,以及宾夕法尼亚州立大学启动资金的支持。本出版物所报道的研究工作部分得到了美国国立卫生研究院(NIH)下属国立生物医学影像与生物工程研究所(NIBIB)资助项目 R56EB032672 的支持。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1H,1H-全氟-1-辛醇 | Alfa Aesar,马萨诸塞州,美国 | B20156-18 | 纯度98% |
| 活检打孔器 | Integra Miltex,纽约州,美国 | 33-31A-P/25 | 1.5 mm 带推杆系统的活检打孔器 |
| 钝头针 | SANANTS | 30-002-25 | 25 G |
| Bruker Avance NEO 400 MHz | 400 MHz Bruker NEO,马萨诸塞州,美国 | NMR设备 | |
| 离心机 | Eppendorf,德国 | 5415 C | |
| 离心管 | Celltreat,马萨诸塞州,美国 | 229423 | |
| 咖啡滤纸 | BUNN,伊利诺伊州,美国 | 20104.0006 | BUNN 8-12杯咖啡滤纸,每包6张,共100张 |
| 干燥器 | Thermo Scientific | 5311-0250 | Nalgene真空干燥器,聚碳酸酯盖和本体,外径280 mm |
| 重水 | Sigma,马萨诸塞州,美国 | 151882 | |
| 透析膜(12-14 kDa) | Spectrum Laboratories,新泽西州,美国 | 08-667E | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液(DPBS,1×) | Sigma,马萨诸塞州,美国 | 56064C-10L | 干粉,不含钙,不含镁,适用于细胞培养 |
| 锥形瓶 | Corning,纽约州,美国 | 4980 | Corning PYREX |
| 乙醇 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 89125-188 | Koptec 200 proof |
| 外螺纹冷冻管(冻存管) | Corning,纽约州,美国 | 430659 | |
| 冷冻干燥机 | Labconco,密苏里州,美国 | 71042000 | 配备真空泵(目录号 7587000) |
| 明胶粉末 | Sigma,马萨诸塞州,美国 | G1890-5100G | 来源于猪皮的A型,凝胶强度约300 g Bloom |
| 玻璃显微镜载玻片 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 82027-788 | |
| 加热板 | FOUR E'S SCIENTIFIC | MI0102003 | 5英寸磁力加热搅拌器,最高温度280 °C/536 °F |
| Kimwipes纸巾 | Fischer scientific,马萨诸塞州,美国 | 06-666 | |
| KMPR 1000负性光刻胶系列 | Kayaku Advanced Materials,马萨诸塞州,美国 | 121619 | 包含KMPR1025和KMP1035 |
| LAPONITE XLG | BYK USA Inc.,康涅狄格州,美国 | 2344265 | |
| 苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次磷酸锂(LAP) | Sigma,马萨诸塞州,美国 | 900889-1G | >95% |
| Luer-Lok接头 | BD,新泽西州,美国 | BD 302995 | |
| MA/BA Gen4-Serie 掩模与键合对准仪 | SÜSS MicroTeck,德国 | 纳米加工设备 | |
| 甲基丙烯酸酐 | Sigma,马萨诸塞州,美国 | 276685-100ML | 含2,000 ppm对甲酚A作为抑制剂,纯度94% |
| Milli-Q水 | Millipore Corporation,马萨诸塞州,美国 | ZRQSVR5WW | 电阻率≈18 MΩ(25 °C),Direct-Q 5 UV远程水净化系统 |
| Novec 7500工程流体 | 3M,明尼苏达州,美国 | 3M ID 7100003723 | |
| 烘箱 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | VWR-1410 | 1410真空烘箱 |
| Parafilm封口膜 | Fischer scientific,马萨诸塞州,美国 | HS234526C | |
| 巴斯德移液管 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 14673-010 | |
| 培养皿 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 25384-092 | 聚苯乙烯 |
| Pico-Surf | Sphere Fluidics,英国 | C022 | (5% (w/w) 溶于Novec 7500) |
| 移液器 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 89079-970 | |
| 移液器吸头 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 87006-060 | |
| 等离子清洗室 | Harrick Plasma,纽约州,美国 | PDC-001-HP | |
| 聚二甲基硅氧烷 | Dow Corning,密歇根州,美国 | 2065623 | SYLGARD 184硅橡胶弹性体套件 |
| 正置换移液器 | Microman E M100E,Gilson,俄亥俄州,美国 | M100E | |
| 硅晶圆 | UniversityWafer,马萨诸塞州,美国 | 452/1196 | 4英寸机械级 |
| 刮勺 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 231-0104 | 一次性使用 |
| SU-8 | Kayaku Advanced Materials,马萨诸塞州,美国 | ||
| 注射泵 | Harvard Apparatus,马萨诸塞州,美国 | 70-2001 | PHD 2000 |
| 三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷 | Millipore Sigma,马萨诸塞州,美国 | 448931-10G | 纯度97% |
| Tygon管路 | Saint-globain,宾夕法尼亚州,美国 | AAD04103 | |
| 紫外灯 | QUANS | 电压:85 V–265 V AC / 功率:20 W | |
| 真空过滤装置 | VWR,宾夕法尼亚州,美国 | 10040-460 | 0.20 µm |
| 涡旋振荡器 | Fischer scientific,美国 | 14-955-151 | 迷你涡旋混合器 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。