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微凝胶和颗粒凝胶：从可注射支架和生物墨水到 3D 打印载体

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DOI：

10.3791/64998

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2023年7月14日

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

本文内容

摘要

文章讨论：

  1. Muir， VG， Prendergast， ME， Burdick， JA将块状水凝胶碎裂并加工成用于生物医学应用的颗粒水凝胶。可视化实验杂志。（183），e63867 （2022）。
  2. Stager， MA， Erickson， CB， Payne， KA， Krebs， MD 用于组织工程应用的尺寸控制且无乳剂的壳聚糖-genipin 微凝胶的制备。可视化实验杂志。（182），e63857 （2022）。
  3. Anderson， A. R.， Segura， T. 控制用于 3D 细胞培养的微孔退火颗粒支架中的颗粒分数。可视化实验杂志。（188），e64554 （2022）。
  4. Roosa， C. et al. 微孔退火颗粒支架的微凝胶构建块的微流体合成。可视化实验杂志。（184），e64119 （2022）。
  5. Rommel， D.， Vedaraman， S.， Mork， M.， De Laporte， L. 来自微凝胶棒的互连大孔 3D 支架。可视化实验杂志。（184），e64010 （2022）。
  6. Luo， S. -C.， Wang， Y.， Kankala， R. K.， Zhang， Y. S.， Chen， A. -Z. 通过微流控技术制造高度开放的多孔微球 （HOPM）。可视化实验杂志。（183），e63971 （2022）。
  7. Machour， M.， Szklanny， A. A.， Levenberg， S. 使用 3D 打印技术制造工程血管皮瓣。可视化实验杂志。（183），e63920 （2022）。
  8. Jalandhra， G.， Romanazzo， S.， Nemec， S.， Roohani， I.， Kilian， KA 载细胞悬浮液中的陶瓷全向生物打印，用于生成骨类似物。可视化实验杂志。（186），e63943 （2022）。
  9. Kajtez， J.， Radeke， C.， Lind， JU， Emneus， J. 微凝胶-细胞外基质复合支持人类神经结构的嵌入式 3D 打印。视觉实验杂志。（195） e65158 （2023 年）。
  10. Senior， J. J. et al. 悬浮 3D 生物打印凝胶凝胶在凝胶化过程中通过剪切加工形成的琼脂糖流体凝胶。可视化实验杂志。（195），e64458 （2022）。
  11. Ataie， Z.， Jaberi， A.， Kheirabadi， S.， Risbud， A.， Sheikhi， A. 明胶甲基丙烯酰颗粒水凝胶支架：高通量微凝胶制造、冻干、化学组装和 3D 生物打印。可视化实验杂志。（190），e64829 （2022）。

社论

微凝胶技术已成为再生医学和组织工程应用的强大且多功能的工具1。就像它们的块状凝胶一样，微凝胶的特点是含水量高、理化性质可调，并且可以模拟天然细胞外环境。由于制造技术的进步，微凝胶可以用一系列天然和合成聚合物生产成不同形状和尺寸的微凝胶。它们还可用于细胞和治疗药物的受控封装。与传统的块状水凝胶相比，微凝胶的主要优点之一是它们易于注射，从而允许微创递送细胞货物、药物或用于组织修复的生物支架。此外，通过混合具有不同特性的微凝胶群，可以轻松实现模块化微凝胶系统，而将微凝胶嵌入传统水凝胶中则提供了一条通往软物质复合材料的途径。当许多微凝胶被填充到卡住状态时，它们会产生颗粒状凝胶，这是一种具有动态宏观特性的块状材料，可以用作嵌入式三维 （3D） 打印的支撑槽或 3D 打印油墨。这本文章集探讨了微凝胶配方和制造的各种方法，以及它们在潜在生物医学应用中的应用。

非常需要一种经济高效、无乳液且技术要求不高的方法来大量生产微凝胶。为了解决这个问题，Muir等人展示了一种通过挤出碎裂生成降冰片烯修饰透明质酸（HA）微凝胶的优雅方案2。光交联块状水凝胶通过一系列直径依次较小的针头挤出。然后通过真空驱动过滤将所得碎片化的微凝胶颗粒卡住，形成紧密堆积的颗粒状水凝胶，可用作基于挤出的 3D 打印的墨水。Stager等人提出了另一种碎裂方法，其中交联的壳聚糖水凝胶通过网状过滤器挤出，以生成尺寸受控的微凝胶颗粒。然后，当用于生长板损伤大鼠模型时，碎片化的水凝胶可以促进软骨组织再生。

将卡住的微凝胶颗粒相互连接在一起，产生退火的颗粒状水凝胶和具有独特微结构的多孔块状支架。Anderson等人提供了一种基于微流体的可光交联HA微凝胶的方案，随后在不损坏聚合物网络的情况下进行冷冻干燥4。冻干微凝胶的受控再水化以及随后通过双正交交联方案的互联导致形成具有受控颗粒分数的多孔HA支架，作者证明这对细胞浸润和迁移有显着影响。Roosa等人描述了一种高通量微流控合成大体积聚乙二醇（PEG）微凝胶的方法5。然后，作者演示了基于二次交联机制的微凝胶纯化、基本微粒表征和颗粒退火的方法，以形成微孔支架。Rommel等人展示了一种利用各向异性微凝胶颗粒生成孔隙率增加的退火支架的方法6。他们利用流动聚焦微流体技术，用具有可控纵横比的星形聚乙二醇聚合物制造微凝胶棒。退火的微凝胶棒支架可用作细胞实验的 3D 环境。Luo等人展示了一种通过简单的微流体方法生成高度开放的多孔微球的方法，该方法可用于细胞或生物制剂的递送7。

颗粒凝胶独特的流变特性使其成为软水凝胶和细胞嵌入式 3D 打印的理想支撑物8。Machour等人将一种在明胶颗粒凝胶内嵌入3D打印的方法与基于牺牲模具的3D打印相结合，以创建工程组织皮瓣9。利用这种混合方法从胶原蛋白墨水与内皮细胞混合中创建分层血管网络。然后将工程皮瓣直接植入大鼠股动脉中。Jalandhra 等人展示了一种通过在由甲基丙烯酸明胶 （GelMA） 微凝胶制成的载细胞颗粒凝胶内嵌入磷酸钙陶瓷墨水的嵌入 3D 打印来创建骨骼模拟结构的方法10。颗粒状支撑物在打印后退火，以支持工程化骨骼模拟结构周围的细胞生长。Kajtez 等人采用嵌入式 3D 打印来创建基于人类干细胞的神经组织构建体11.他们开发了一种复合打印支撑材料，结合了海藻酸盐微凝胶和基于胶原蛋白的细胞外基质溶液。胶原蛋白的温和交联使打印支持退火，为神经干细胞分化为功能性神经元提供有利的环境。Senior等人利用凝胶化过程中的剪切处理方法生成了用于嵌入式3D打印的琼脂糖基支撑浴12。琼脂糖的热特性使得在不熔化支撑浴的情况下培养印刷的载细胞水凝胶构建体成为可能。

卡住微凝胶墨水为可控的3D打印提供了一条途径，可能对任何水凝胶进行可控3D打印，否则由于其低粘度或难以控制的交联动力学而难以打印13。作为微凝胶墨水，水凝胶可以以传统的逐层方式或悬浮液进行印刷。它们还可以容纳细胞形成颗粒状生物墨水。因此，颗粒生物墨水为与传统方法不兼容的材料的生物打印提供了一种解决方案，这些材料可能需要对细胞有害的添加剂或交联条件。Zaman等人提供了一种方法，通过使用可逆界面纳米颗粒自组装14对GelMA水凝胶进行编程，进一步增强这些油墨的可打印性。由于颗粒间相互作用的改变，所得的纳米工程颗粒生物墨水可以以较低的包装密度进行印刷，从而可以配制出具有更高微孔率的颗粒生物墨水，并在整个印刷过程中得到很好的保留。此外，作者还描述了一种使用转谷氨酰胺酶进行高通量微流控水凝胶微粒生成、转化为微气凝胶和颗粒墨水退火的方法。

综上所述，这本文章集为微凝胶技术的广泛应用提供了详细的实践指导。该系列不仅描述了不同水凝胶材料的使用和交联机制，还介绍了几种用于生成水凝胶微粒的制造技术。最重要的是，该合集提供了有关如何将水凝胶微粒用于 3D 打印和再生医学的有用信息，这是微凝胶和颗粒凝胶技术的极具前景的应用。

披露

作者没有什么可透露的。

参考文献

  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).

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