Name: 明胶甲基丙烯酰基颗粒水凝胶支架:高通量微凝胶制造、冻干、化学组装和 3D 生物打印 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: 学习明胶甲基丙烯酰基(GelMA)微凝胶颗粒的制备、冻干、光组装及3D生物打印技术。该方法利用微流控技术制造可再悬浮粉末，开发适用于组织工程和再生医学的颗粒水凝胶生物墨水。

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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。

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）。
<ol>
	<li>向一个锥形瓶中加入 200 mL 杜尔贝科磷酸盐缓冲液（DPBS, 1x），并加热溶液至达到 50 °C用铝箔覆盖烧瓶以防止蒸发。</li>
	<li>将20 g明胶粉末加入DPBS溶液中 50 °C 在240 rpm下搅拌，直至粉末完全溶解。</li>
	<li>将 16、2.5 或 0.5 mL 甲基丙烯酸酐（MA）逐滴加入明胶溶液中 通过 分别使用玻璃巴斯德吸管合成具有高、中、低甲基丙烯酰基取代度的 GelMA。 
	注意：丙烯酰胺（MA）为危险化学品，操作时应穿戴适当的个人防护装备。MA 具有光敏感性，需用铝箔包裹反应容器以避光保护。</li>
	<li>2 h后，加入400 mL DPBS 50 °C 以终止反应。继续搅拌 50 °C 10分钟。</li>
	<li>将溶液倒入截留分子量为12-14 kDa的透析膜管中，然后将膜管置于装有 40 °C 超纯水。以240 rpm的速度搅拌水 40 °C.</li>
	<li>将溶液在超纯水中透析10天，每天换水2次，以去除未反应的甲基丙烯酸酐、副产物及其他杂质。</li>
	<li>10天后，加入400 mL超纯水 40 °C 加入 GelMA 溶液中，以 240 rpm 转速搅拌 15 分钟。</li>
	<li>使用咖啡滤纸过滤溶液两次，然后进行真空抽滤 通过 a 0.2 µm 真空过滤装置</li>
	<li>将25 mL过滤后的溶液倒入50 mL离心管中，并于-80 °C将试管水平放置。</li>
	<li>两天后，取下管盖，用实验室擦拭纸覆盖离心管管口，并用胶带或橡皮筋将擦拭纸紧密固定。</li>
	<li>将冷冻的 GelMA 溶液进行冻干，得到白色固体 GelMA。</li>
	<li>进行质子核磁共振（1核磁共振氢谱（H NMR）分析中，分别将30 mg明胶粉末（对照组）或冻干的GelMA加入1 mL氘代水（D₂O）中2O）并将样品保持在 37 °C 直到明胶粉或 GelMA 完全溶解。</li>
	<li>获取 1通过积分化学位移约在6.5–7.5 ppm的芳香酸质子峰和约在3.0 ppm的赖氨酸亚甲基质子峰，获取¹H NMR谱图并确定甲基丙烯酰基取代度。以芳香酸质子峰为参考，基于方程（1): 
	DS (%) = [1 - (GelMA 中赖氨酸亚甲基面积 / 明胶中赖氨酸亚甲基面积)] × 1001)</li>
</ol>
<img alt="GelMA 的合成、反应方程式及明胶/GelMA 的 ¹H NMR 结果；用于分析的化学位移图谱" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64829/64829fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64829/64829fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
2. 高通量 GelMA 微凝胶制备
<ol>
	<li>设备主模具微加工 
	注意：主模具可通过微加工技术制备 通过 使用KMPR 1000系列负性光刻胶的软光刻技术19.
	<ol>
		<li>过夜解冻 KMPR 1025 和 1035，避免任何光照。</li>
		<li>在晶圆上涂覆第一层时，将KMPR 1025直接加至晶圆中央，形成直径约5 cm的光刻胶区域。以3,000 rpm转速旋转涂胶机30秒。</li>
		<li>软烤 12 分钟于加热板上 100 °C 加热板。然后在冷却板上冷却5分钟。</li>
		<li>将第一层掩模贴附至空白钠钙玻璃基片上，然后使用掩模对准仪对涂覆的晶圆进行紫外光曝光，剂量为 645 mJ/cm²2 剂量</li>
		<li>后烘烤在 100 °C 热板。在冷却板上冷却5分钟。 
		注意：此步骤之后不要进行显影，仅在流程结束时显影一次。</li>
		<li>使用 KMPR 1035 在晶圆上旋涂第二层。以 1,000 rpm 转速运行旋涂仪 30 秒。</li>
		<li>软烤 30 分钟于 100 °C 热板。在冷却板上冷却5分钟。</li>
		<li>将第二层掩膜贴附至空白的钠石灰基板上，并使用对准仪通过标准对准标记对齐第二层掩膜。使用掩膜对准仪进行紫外光曝光，剂量最高达 2,000 mJ/cm²。2.</li>
		<li>后烘烤5分钟于 100 °C 加热板</li>
		<li>显影 &gt;在SU-8显影液中显影6分钟。 
		注意：如果晶圆呈现乳白色，则应延长显影时间。每次使用及间隔期间均应使用新鲜显影液，以获得更佳效果。</li>
		<li>用异丙醇喷洒。确保晶圆表面洁净，无乳白色残留物。使用氮气（N₂）彻底干燥晶圆。2) 气体。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>微流控器件制备
	<ol>
		<li>将50 g聚二甲基硅氧烷（PDMS）基础剂倒入透明塑料杯中，然后向杯中加入5 g交联剂。使用刮刀充分搅拌基础剂与交联剂，直至混合物呈现均匀的乳状质地。</li>
		<li>使用真空干燥器对混合物抽真空脱气 20 分钟，直至溶液变澄清。将混合物倒入主模具中，主模具应置于培养皿内并用胶带固定。 
		注意：确保浇注的PDMS厚度（高度）≤8 mm。</li>
		<li>将培养皿放入干燥器中，再次对PDMS混合物进行真空脱气20分钟，直至所有气泡完全去除。将培养皿置于 70 °C 在烘箱中加热2小时，直至PDMS交联。将培养皿从烘箱中取出，静置冷却。</li>
		<li>使用手术刀从模具中切割出器件。缓慢地将器件从主模具上剥离。使用活检打孔器（1.5 mm 直径）在入口和出口处打孔。</li>
		<li>使用遮蔽胶带去除PDMS装置和玻璃载玻片上的灰尘，将玻璃载玻片和装置放入等离子清洗仪腔室中。在气压低于400 mTorr的条件下进行等离子处理45 s（从腔室变为紫色时开始计时）。将载玻片和装置从腔室中取出，将装置置于玻璃载玻片上，并施加轻微压力。将装置放入 70 °C 30分钟以增强结合力。</li>
		<li>用工程流体中的三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷（F-silane，2% v/v）填充装置，使通道表面具有亲氟性。通过出口注入F-silane溶液，并确保所有装置均被覆盖。静置5–10分钟。 
		注意：F-硅烷应现配现用，且不应长时间暴露于空气中。</li>
		<li>通过水相溶液入口将F-硅烷溶液从装置中吸出。使用工程流体清洗装置两次，再次吸出。将装置置于 70 °C 30分钟以蒸发残留的油。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>液滴形成与 GelMA 微凝胶制备
	<ol>
		<li>将10 mg苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰次膦酸锂（LAP）加入10 mL DPBS中，配制光引发剂（PI）溶液（0.1% w/v）。用铝箔包裹容器以避光保存。</li>
		<li>将所需量的 GelMA 溶解于 PI 溶液中，并置于 37 °C 在烘箱中加热1小时，直至获得澄清溶液。用铝箔包裹以避光保护溶液。</li>
		<li>配制油相时，在工程流体中制备2% v/v的生物相容性表面活性剂溶液。</li>
		<li>将Tygon管插入PDMS装置的入口和出口。在Tygon管的另一端（入口端）插入25 G钝头针。使用尽可能短的管路长度。</li>
		<li>将装置置于显微镜下。保持环境温暖（~40 °C使用吹风机和/或空间加热器。</li>
		<li>将水相和油相溶液分别装入连接至装置的注射器中。启动注射泵，流速分别为160和 80 µL/min 分别为油相（连续相）和水相（分散相）。 
		注意：先启动油相；确保油相充满通道后，再启动水相。</li>
		<li>将液滴收集到容器中，并在成像室中进行评估 通过 光学显微成像</li>
		<li>将液滴置于 4 °C 避光条件下孵育过夜，以启动 GelMA HMP 的物理交联，并将液滴转化为稳定的微凝胶 4 °C.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>为实施 MEtoP，使用耐高温的微量离心管或冻存管收集工程流体中的物理交联 HMPs。打开管盖后，用实验室擦拭纸和胶带密封。</li>
	<li>将物理交联的 HMPs 在液氮（-196 °C）中速冻 10 分钟。</li>
	<li>将速冻后的管子转移至冷冻干燥仪中，在低压（例如 0.06 mbar）下冻干至少 6 小时，得到粉末状产物。 
	注意：冻干循环结束后，应缓慢释放真空，以防粉末损失。</li>
	<li>向粉末中加入 1 mL 冷却的 PI 溶液（0.1% w/v，4 °C），制备微凝胶悬浮液。涡旋振荡 5 秒，然后在 3,000 × g 条件下离心 15 秒，弃去上清液。</li>
	<li>使用正向置换移液器将浓缩的微凝胶悬浮液转移至模具中，随后在波长 400 nm、光强 15 mW/cm2 的紫外光下照射 60 秒，形成 GHS。</li>
</ol>
<img alt="MEtoP与冻干微气凝胶的SEM图像；微观结构比较与聚集示意图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64829/64829fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64829/64829fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
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。
<ol>
	<li>添加 400 µL 将工程流体中体积分数为20%的1H,1H-全氟-1-辛醇（PFO）溶液加入物理交联的GelMA HMPs中，随后涡旋5秒，并在300 × g条件下离心15秒。 g. 
	注意：工程流体中的PFO溶液应现配现用，并储存于密闭容器中以防止蒸发。</li>
	<li>从 GelMA HMPs 中去除油相 通过 移液</li>
	<li>添加 400 µL 0.1% (w/v) PI 溶液 4 °C 加入微凝胶悬浮液中。然后涡旋振荡5秒，并在300 × g 15秒后弃去油相。</li>
	<li>重复上一步操作，但在3,000 × g条件下离心 g去除浓缩 GelMA HMPs 的上清液 通过 移液</li>
	<li>使用正向置换移液器将浓缩的 GelMA HMPs 转移至模具中，随后进行紫外光照射（波长 = 400 nm，强度 = 15 mW/cm²）2，曝光时间 = 60 s。</li>
</ol>
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）
<ol>
	<li>将100 mg纳米片粉末加入3 mL 4 °C的超纯水中，形成纳米颗粒分散液（3.33% w/v）。在4 °C冰箱内剧烈涡旋振荡15分钟，以剥离原本聚集的纳米颗粒。充分剥离后的纳米颗粒应形成澄清的分散液。</li>
	<li>将50 mg LAP溶解于5 mL 4 °C的超纯水中，制备光引发剂储备液（1% w/v）。</li>
	<li>向剥离后的纳米颗粒分散液中加入333 µL光引发剂溶液（1% w/v），用铝箔包裹以避光。涡旋振荡1分钟，使纳米颗粒分散液与光引发剂充分混合。最终黏土和光引发剂的浓度分别为3% w/v和0.1% w/v。</li>
	<li>按1:1体积比，将含20% v/v PFO的工程流体（4 °C）加入物理交联的GelMA HMPs中。充分涡旋振荡5秒，随后在300 × g条件下离心15秒，并弃去含有表面活性剂的油相。</li>
	<li>将添加了LAP的纳米颗粒分散液（4 °C）加入洗涤后的GelMA HMPs中。涡旋振荡15秒，在3,000 × g条件下离心15秒，弃去底部残留的油相及上清分散液。</li>
	<li>将所得悬液置于4 °C冰箱中避光保存1天。此步骤所得产物为GelMA NGB。</li>
	<li>将NGB装入3 mL注射器中，用帽和Parafilm密封，脉冲式离心200 × g以去除截留的空气。使用雌-雌Luer-Lok连接器将生物墨水转移至3 mL料筒中，再次短暂离心200 × g以排除残留气泡。使用前将NGB保存在4 °C冰箱中。</li>
	<li>在制备含细胞生物墨水前，先制备浓缩的细胞悬液（例如NIH/3T3小鼠成纤维细胞），其中约含2,400万个细胞，溶于100 µL细胞培养基中。将细胞悬液装入3 mL注射器，通过雌-雌Luer-Lok连接器将装有NGB的注射器与装有细胞的注射器连接，来回推注40次，轻柔混合细胞与NGB。</li>
	<li>使用合适的生物打印机和标准锥形喷嘴打印NGB或含细胞NGB。将喷嘴装入3 mL打印头中，保持打印平台温度低于10 °C。打印前优化打印参数，如速度和背压。</li>
	<li>选择基底和喷嘴类型（配备标准锥形喷嘴的气动3 mL注射器），按照设备指南校准生物打印机，选择所需的gcode或STL文件，开始打印。 
	注意：进行含细胞生物打印时，所有材料和设备均应在生物安全柜内操作，以最大限度减少污染。</li>
	<li>打印完成后，将构建物暴露于紫外光下进行光交联（波长 = 400 nm，强度 = 15 mW/cm2，照射时间 = 60 s）。</li>
</ol>
<img alt="生物墨水形成示意图：纳米工程化生物墨水、光引发剂添加、离心过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64829/64829fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64829/64829fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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作者声明无利益冲突。

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 ...

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&#160;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 &#60;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&#160;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。

<table><tbody><tr><td>1H,1H-全氟-1-辛醇</td><td>Alfa Aesar，马萨诸塞州，美国</td><td>B20156-18</td><td>纯度98%</td></tr><tr><td>活检打孔器</td><td>Integra Miltex，纽约州，美国</td><td>33-31A-P/25</td><td>1.5 mm 带推杆系统的活检打孔器</td></tr><tr><td>钝头针</td><td>SANANTS</td><td>30-002-25</td><td>25 G</td></tr><tr><td>Bruker Avance NEO 400 MHz</td><td>400 MHz Bruker NEO，马萨诸塞州，美国</td><td></td><td>NMR设备</td></tr><tr><td>离心机</td><td>Eppendorf，德国</td><td>5415 C</td><td></td></tr><tr><td>离心管</td><td>Celltreat，马萨诸塞州，美国</td><td>229423</td><td></td></tr><tr><td>咖啡滤纸</td><td>BUNN，伊利诺伊州，美国</td><td>20104.0006</td><td>BUNN 8-12杯咖啡滤纸，每包6张，共100张</td></tr><tr><td>干燥器</td><td>Thermo Scientific</td><td>5311-0250</td><td>Nalgene真空干燥器，聚碳酸酯盖和本体，外径280 mm</td></tr><tr><td>重水</td><td>Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>151882</td><td></td></tr><tr><td>透析膜（12-14 kDa）</td><td>Spectrum Laboratories，新泽西州，美国</td><td>08-667E</td><td></td></tr><tr><td>杜氏磷酸盐缓冲液（DPBS，1×）</td><td>Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>56064C-10L</td><td>干粉，不含钙，不含镁，适用于细胞培养</td></tr><tr><td>锥形瓶</td><td>Corning，纽约州，美国</td><td>4980</td><td>Corning PYREX&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>89125-188</td><td>Koptec 200 proof</td></tr><tr><td>外螺纹冷冻管（冻存管）</td><td>Corning，纽约州，美国</td><td>430659</td><td></td></tr><tr><td>冷冻干燥机</td><td>Labconco，密苏里州，美国</td><td>71042000</td><td>配备真空泵（目录号 7587000）</td></tr><tr><td>明胶粉末</td><td>Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>G1890-5100G</td><td>来源于猪皮的A型，凝胶强度约300 g Bloom</td></tr><tr><td>玻璃显微镜载玻片</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>82027-788</td><td></td></tr><tr><td>加热板</td><td>FOUR E'S SCIENTIFIC</td><td>MI0102003</td><td>5英寸磁力加热搅拌器，最高温度280 &amp;deg;C/536 &amp;deg;F&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Kimwipes纸巾</td><td>Fischer scientific，马萨诸塞州，美国</td><td>06-666</td><td></td></tr><tr><td>KMPR 1000负性光刻胶系列</td><td>Kayaku Advanced Materials，马萨诸塞州，美国</td><td>121619</td><td>包含KMPR1025和KMP1035</td></tr><tr><td>LAPONITE XLG</td><td>BYK USA Inc.，康涅狄格州，美国</td><td>2344265</td><td></td></tr><tr><td>苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次磷酸锂（LAP）</td><td>Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>900889-1G</td><td>&gt;95%</td></tr><tr><td>Luer-Lok接头</td><td>BD，新泽西州，美国</td><td>BD 302995&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>MA/BA Gen4-Serie 掩模与键合对准仪</td><td>S&amp;Uuml;SS MicroTeck，德国</td><td></td><td>纳米加工设备</td></tr><tr><td>甲基丙烯酸酐</td><td>Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>276685-100ML</td><td>含2,000&amp;nbsp;ppm对甲酚A作为抑制剂，纯度94%</td></tr><tr><td>Milli-Q水</td><td>Millipore Corporation，马萨诸塞州，美国</td><td>ZRQSVR5WW</td><td>电阻率&amp;asymp;18 M&amp;Omega;（25 &amp;deg;C），Direct-Q 5 UV远程水净化系统</td></tr><tr><td>Novec 7500工程流体</td><td>3M，明尼苏达州，美国</td><td></td><td>3M ID&amp;nbsp;7100003723</td></tr><tr><td>烘箱</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>VWR-1410</td><td>1410真空烘箱</td></tr><tr><td>Parafilm封口膜</td><td>Fischer scientific，马萨诸塞州，美国</td><td>HS234526C</td><td></td></tr><tr><td>巴斯德移液管</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>14673-010</td><td></td></tr><tr><td>培养皿</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>25384-092</td><td>聚苯乙烯</td></tr><tr><td>Pico-Surf</td><td>Sphere Fluidics，英国</td><td>C022</td><td>（5% (w/w) 溶于Novec 7500）</td></tr><tr><td>移液器</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>89079-970</td><td></td></tr><tr><td>移液器吸头</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>87006-060</td><td></td></tr><tr><td>等离子清洗室</td><td>Harrick Plasma，纽约州，美国</td><td>PDC-001-HP&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷</td><td>Dow Corning，密歇根州，美国</td><td>&amp;nbsp;2065623</td><td>SYLGARD 184硅橡胶弹性体套件</td></tr><tr><td>正置换移液器</td><td>Microman E M100E，Gilson，俄亥俄州，美国</td><td>M100E</td><td></td></tr><tr><td>硅晶圆</td><td>UniversityWafer，马萨诸塞州，美国</td><td>452/1196</td><td>4英寸机械级</td></tr><tr><td>刮勺</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>231-0104</td><td>一次性使用</td></tr><tr><td>SU-8&amp;nbsp;</td><td>Kayaku Advanced Materials，马萨诸塞州，美国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Harvard Apparatus，马萨诸塞州，美国</td><td>70-2001</td><td>PHD 2000</td></tr><tr><td>三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷</td><td>Millipore Sigma，马萨诸塞州，美国</td><td>448931-10G</td><td>纯度97%</td></tr><tr><td>Tygon管路</td><td>Saint-globain，宾夕法尼亚州，美国</td><td>AAD04103&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>紫外灯&amp;nbsp;</td><td>QUANS</td><td></td><td>电压：85 V–265 V AC / 功率：20 W</td></tr><tr><td>真空过滤装置</td><td>VWR，宾夕法尼亚州，美国</td><td>10040-460</td><td>0.20 &amp;micro;m</td></tr><tr><td>涡旋振荡器</td><td>Fischer scientific，美国</td><td>14-955-151</td><td>迷你涡旋混合器</td></tr></tbody></table>

明胶甲基丙烯酰基颗粒水凝胶支架：高通量微凝胶制备、冻干、化学组装与三维生物打印

Gelatin Methacryloyl Granular Hydrogel Scaffolds: High-throughput Microgel Fabrication, Lyophilization, Chemical Assembly, and 3D Bioprinting

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&#160;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。&#160;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&#160;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

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 &gt;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...

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，通过组装水凝胶微粒（HMPs）制备，实现了多孔微结构支架的构建……

细胞外基质（ECM）衍生的水凝胶微粒可作为支架构建的基本单元。本实验方案展示了明胶甲基丙烯酰化（gelatin methacryloyl，GelMA）水凝胶微粒的制备、纯化、冷冻干燥、光交联组装及三维生物打印。GelMA 是一种可光化学交联的、基于蛋白质的生物聚合物，含有细胞黏附性和可生物降解的功能基团，已被广泛用作具有细胞响应性和指导性功能的生物材料。与传统的块状水凝胶相比，GelMA颗粒水凝胶支架具有微孔结构，能够实现快速的细胞浸润，并且可通过调控构建单元的尺寸来定制。GelMA颗粒水凝胶支架可能为在低成本平台上进行厚组织、器官及疾病模型的3D生物打印以及再生工程开辟新的机遇。首先，将10毫克LAP加入10毫升DPBS中，配制0.1%的光引发剂溶液。用铝箔包裹溶液以避光，并贴上标签。接着，将所需量的 GelMA 溶解于光引发剂溶液中。将包裹铝箔的溶液置于 37°C 的烘箱中一小时，直至获得澄清溶液。为制备油相，将生物相容性表面活性剂以2%的浓度溶于工程流体中。将Tygon管插入PDMS装置的入口和出口，然后在Tygon管的另一端（入口端）插入25号钝头针。将装置置于显微镜下，并使用吹风机或空间加热器维持环境温度在约40摄氏度。将水相溶液和油相溶液分别装入连接到装置的两个注射器中。启动油相的注射泵，流速为 160 微升每分钟。当油相充满微通道后，启动水相，流速为 80 微升每分钟。在显微镜下观察液滴形成情况。将液滴收集到容器中，并通过光学显微成像在成像室中对其进行评估。将液滴置于4°C环境中避光保存过夜，以启动 GelMA 微凝胶的物理交联，使液滴转化为稳定的微凝胶。为实施微工程乳液转粉末（MEtoP）方法，使用耐高温的微量离心管或冻存管收集工程流体中的物理交联微凝胶。用实验室擦拭纸和封口膜密封管口。将物理交联微凝胶在液氮中深冻10分钟，随后进行冻干处理。冻干后将得到固体粉末。向冻干粉末中加入1毫升4摄氏度预冷的0.1%光引发剂溶液，以制备微凝胶悬浮液。将涡旋混匀后的混合物在3,000g离心15秒。弃去上清液后，使用正置换移液器将紧密堆积的微凝胶悬浮液转移至模具中，并在波长400纳米、光强为15毫瓦/平方厘米的光照条件下照射60秒，以形成颗粒状水凝胶支架（GHS）。对于400微升的微凝胶悬浮液，加入等体积的预冷PFO溶液（在工程流体中占20%）至物理交联的GelMA微凝胶中。随后将涡旋混合后的样品在300×g离心15秒，并通过移液去除GelMA微凝胶中的油相。然后向微凝胶悬浮液中加入400 µL预冷的、含0.1%光引发剂的溶液。将涡旋混匀后的溶液在300×g离心15秒，弃去油相。重复光引发剂溶液添加和离心步骤，但此次在3,000×g离心，并弃去紧密沉淀的GelMA微凝胶的上清液。将浓缩的 GelMA 微凝胶转移至模具中，随后进行光照以形成 GHS。将 100 毫克纳米片粉末加入 3 毫升冰浴的超纯水中，制备成 3.33% 的纳米颗粒分散液。在 4°C 冰箱中剧烈涡旋振荡分散液 15 分钟，以剥离聚集的纳米颗粒。充分剥离的纳米颗粒可形成澄清的分散液。将50毫克LAP溶解于5毫升冰冻的超纯水中，配制1%光引发剂储备液。然后向剥离后的纳米颗粒分散液中加入333微升1%光引发剂溶液，并用铝箔包裹，以避免暴露于环境光下。将纳米颗粒分散液与光引发剂混合，涡旋振荡一分钟。按1:1的体积比，向物理交联的GelMA微凝胶中加入冰冷的PFO（工程流体中含20% PFO）。将涡旋后的混合物在300g下离心15秒，弃去含有表面活性剂的油相。将冰冷的、添加了LAP的纳米颗粒分散液加入经洗涤的 GelMA 微凝胶中。在 3,000g 条件下离心 15 秒后，弃去底部残留的油相及上清分散液。将悬浮液置于 4°C 条件下避光保存一天（可用铝箔包裹），以获得产物 GelMA 纳米工程化颗粒生物墨水（NGB）。次日，将 NGB 装入一个 3 毫升注射器中。用帽和帕拉膜密封已装填的注射器，并在 200g 条件下进行短时离心，以去除截留的空气。使用双公型鲁尔锁接头将生物墨水转移至一个 3 毫升 cartridge 中。再次将 cartridge 在 200g 条件下短暂离心，以去除 trapped air，并在使用前将 NGB 置于 4 摄氏度保存。接下来，将制备好的小鼠成纤维细胞悬液加入一支 3 毫升注射器中。使用雌-雌 Luer 锁定接头将 NGB 与含细胞的注射器连接，通过前后推注 40 次，轻柔混合内容物。使用标准锥形喷嘴，将喷嘴装入三毫升打印头，通过合适的生物打印机打印NGB或含细胞的NGB。保持打印平台温度低于10摄氏度，并优化打印速度和背压等参数。选择所需的gcode或STL文件。然后选择基底材料和喷嘴类型，用于配备标准锥形喷嘴的气动三毫升注射器。根据设备指南校准生物打印机，并开始打印以获得三维结构。MEtoP技术通过低压冷冻干燥，在保护微凝胶免于聚集和严重变形的同时，获得了可再悬浮的干燥微凝胶粉末。扫描电镜图像显示，与传统冷冻干燥方法观察到的聚集现象相比，采用该技术制备的干燥 GelMA 微粒在冻干后仍保持其球形形态。利用高分子量荧光染料对 GelMA、GHS 和 NGB 进行微孔表征，结果显示存在相互连通的微尺度孔隙结构。此外，通过自行编写的 MATLAB 脚本分析荧光图像，可检测到这些孔隙。孔隙率和中值孔径当量测量结果表明，采用NGB制备的3D打印支架中微米级孔隙的可及性和相互连通性无显著差异。通过悬垂丝长度测量发现，NGB支架优于紧密和疏松堆积的GelMA微凝胶，表现为NGB形成的丝长度大于堆积微凝胶；而疏松堆积的微凝胶未能形成丝状结构。将一个中空圆柱体进行3D打印，然后将整个结构暴露在光下进行光交联。通过物理方式手持展示所打印结构的形状、保真度及结构完整性。如果该支架用于生物学评估，例如在载细胞生物打印中，请务必在生物安全柜内并在特定条件下完成所有操作步骤。我们希望推动粒状水凝胶支架作为生物医学领域新兴生物材料平台的普及应用。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

明胶甲基丙烯酰基颗粒水凝胶支架:高通量微凝胶制造、冻干、化学组装和 3D 生物打印

采用生物打印机基于可牺牲模具制备出具有特定图案的水凝胶。首先用第二种水凝胶填充泊洛沙姆模具，随后将其洗脱，形成可被第三种水凝胶填充的孔隙结构。该方法利用泊洛沙姆快速洗脱和良好可打印性的特点，实现由生物聚合物构建复杂结构。...

打印热响应性反向模具以制备用于三维细胞培养的图案化双组分水凝胶

本方案描述了一种结合微加工技术与冷冻凝胶化技术制备弹性三维大孔微凝胶的方法。在载入细胞后，可形成三维微组织，且易于注射 在体内 以促进再生治疗，或组装成阵列用于 体外...

用于可注射再生治疗和高通量药物筛选的三维微组织

已开发出一种用于加工紫外光交联水凝胶的增材制造策略。该策略可实现微加工水凝胶结构的逐层组装，以及独立组件的集成组装，从而制备出包含可响应磁驱动运动部件的集成器件。...

一种用于简便快速制造含磁响应组分的水凝胶基微型机器的增材制造技术

本文介绍了一种明胶甲基丙烯酰胺的3D生物打印方法。...

基于明胶甲基丙烯酰胺水凝胶生物墨水的3D生物打印方案

本研究介绍了一种简单、可调且低成本的微凝胶制备方法，该方法基于挤出破碎技术，可将微凝胶加工成可注射的颗粒状水凝胶，并进一步将这些颗粒状水凝胶用作生物医学应用中的挤出式打印墨水。...

将块状水凝胶破碎并加工成颗粒状水凝胶用于生物医学应用

通过微流控技术制备具有互补反应性基团的微凝胶棒，可在水溶液中相互连接。这些各向异性的微凝胶会堆积并相互连接，形成比基于球形系统的结构具有更大孔径的稳定构造。经GRGDS-PC修饰的微凝胶可形成可用于细胞培养的大孔三维结构。...

由微凝胶棒制备的互连大孔三维支架

本方案描述了一组用于合成微孔退火颗粒支架微凝胶构建单元的方法，该支架可用于多种再生医学应用。...

用于微孔退火颗粒支架的微凝胶构筑单元的微流控合成

水凝胶形成过程中的剪切处理可产生微凝胶悬浮液，该悬浮液具有剪切变稀特性，但在去除剪切力后能迅速重构。此类材料已被用作生物打印复杂、含细胞结构的支撑基质。本文描述了用于制备支撑床及相容性生物墨水的方法。...

通过凝胶化过程中剪切处理形成琼脂糖流体凝胶用于悬浮3D生物打印

本研究描述了一种在自愈性可退火颗粒-细胞外基质复合材料内进行神经干细胞自由成型嵌入式3D打印的实验方案。该方案能够高保真地程序化构建相互连接的人类神经组织结构。...

微凝胶-细胞外基质复合支撑材料用于人源神经组织嵌入式三维打印

利用κ-卡拉胶亚微凝胶介质嵌入式生物打印类组织结构

学习明胶甲基丙烯酰基(GelMA)微凝胶颗粒的制备、冻干、光组装及3D生物打印技术。该方法利用微流控技术制造可再悬浮粉末，开发适用于组织工程和再生医学的颗粒水凝胶生物墨水。

明胶甲基丙烯酰基颗粒水凝胶支架：高通量微凝胶制备、冻干、化学组装与三维生物打印

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