מאמר שיטה

מיקרוג'לים וג'לים גרגירים: מפיגומים הניתנים להזרקה ודיו-דיו ועד תומכי הדפסת תלת מימד

580 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/64998

⸱

14 ביולי 2023

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

במאמר זה

תקציר

מאמרים שנדונו:

  1. Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. פיצול הידרוג'לים בתפזורת ועיבוד להידרוג'לים גרגירים ליישומים ביו-רפואיים. כתב העת לניסויים חזותיים. (183), e63867 (2022).
  2. Stager, M. A., Erickson, C. B., Payne, K. A., Krebs, M. D. ייצור של מיקרוג'לים צ'יטוזן-ג'יניפין מבוקרי גודל ונטולי תחליב ליישומי הנדסת רקמות. כתב העת לניסויים חזותיים. (182), e63857 (2022).
  3. אנדרסון, א.ר., סגורה, ט. שליטה בשבר חלקיקים בפיגומי חלקיקים מחוסמים מיקרו-נקבוביים לתרבית תאים תלת מימדית. כתב העת לניסויים חזותיים. (188), e64554 (2022).
  4. Roosa, C. et al. סינתזה מיקרופלואידית של אבני בניין של מיקרוג'ל לפיגום חלקיקים מחוסל מיקרופורוזי. כתב העת לניסויים חזותיים. (184), e64119 (2022).
  5. רומל, ד., ודרמן, ס., מורק, מ., דה לאפורט, ל. פיגומים תלת מימדיים מקרו-נקבוביים מקושרים זה לזה ממוטות מיקרוג'ל. כתב העת לניסויים חזותיים. (184), e64010 (2022).
  6. Luo, S. -C., Wang, Y., Kankala, R. K., Zhang, Y. S., Chen, A. -Z. ייצור מיקרוספירות נקבוביות פתוחות מאוד (HOPMs) באמצעות טכנולוגיה מיקרופלואידית. כתב העת לניסויים חזותיים. (183), e63971 (2022).
  7. Machour, M., Szklanny, A. A., Levenberg, S. ייצור דשי כלי דם מהונדסים באמצעות טכנולוגיות הדפסת תלת מימד. כתב העת לניסויים חזותיים. (183), e63920 (2022).
  8. Jalandhra, G., Romanazzo, S., Nemec, S., Roohani, I., Kilian, K. A. הדפסה ביולוגית קרמית כל-כיוונית בתרחיפים עמוסים בתאים ליצירת אנלוגים של עצם. כתב העת לניסויים חזותיים. (186), e63943 (2022).
  9. Kajtez, J., Radeke, C., Lind, J. U., Emneus, J. תמיכה מרוכבת במטריקס מיקרוג'ל-חוץ-תאית להדפסת תלת מימד משובצת של מבנים עצביים אנושיים. כתב העת לניסויים חזותיים. (195) e65158 (2023).
  10. סניור, ג'יי ג'יי ואחרים ג'לים נוזליים של אגרוז שנוצרו על ידי עיבוד גזירה במהלך ג'לציה להדפסה ביולוגית תלת מימדית תלויה. כתב העת לניסויים חזותיים. (195), e64458 (2022).
  11. Ataie, Z., Jaberi, A., Kheirabadi, S., Risbud, A., Sheikhi, A. פיגומי הידרוג'ל גרגירים של Gelatin methacryloyl: ייצור מיקרוג'ל בתפוקה גבוהה, ליופיליזציה, הרכבה כימית והדפסה ביולוגית תלת מימדית. כתב העת לניסויים חזותיים. (190), e64829 (2022).

מאמר מערכת

טכנולוגיית מיקרוג'ל התגלתה ככלי רב עוצמה ורב-תכליתי ליישומי רפואה רגנרטיבית והנדסת רקמות1. בדיוק כמו עמיתיהם בתפזורת, מיקרוג'לים מאופיינים בתכולת מים גבוהה, תכונות פיזיקוכימיות ניתנות לכוונון וחיקוי של הסביבה החוץ-תאית המקומית. בשל ההתקדמות בטכניקות הייצור, ניתן לייצר מיקרוג'לים בצורות וגדלים שונים ממגוון פולימרים טבעיים וסינתטיים. ניתן להשתמש בהם גם למעטפת מבוקרת של תאים וטיפולים. אחד היתרונות העיקריים של מיקרוג'לים בהשוואה להידרוג'לים מסורתיים בתפזורת הוא שהם ניתנים להזרקה בקלות ובכך מאפשרים אספקה זעיר פולשנית של מטען תאי, תרופות או פיגומים ביולוגיים לתיקון רקמות. יתר על כן, מערכות מיקרוג'ל מודולריות ניתנות להשגה בקלות על ידי ערבוב אוכלוסיות מיקרוג'ל בעלות תכונות מובהקות, בעוד שהטמעת מיקרוג'לים בהידרוג'לים קונבנציונליים מספקת נתיב לעבר חומרים מרוכבים של חומר רך. כאשר מיקרוג'לים רבים נארזים במצב תקוע, הם מולידים ג'לים גרגירים, חומרים בתפזורת בעלי תכונות דינמיות בקנה מידה מאקרו שניתן למנף כאמבט תמיכה להדפסה תלת מימדית משובצת (3D) או כדיו להדפסת תלת מימד. אוסף מאמרים זה בוחן מגוון רחב של שיטות לניסוח וייצור מיקרוג'ל, כמו גם את השימוש בהן ליישומים ביו-רפואיים פוטנציאליים.

יש צורך רב בגישות חסכוניות, נטולות תחליב ולא תובעניות מבחינה טכנולוגית לייצור מיקרוג'לים בכמויות גדולות. כדי לטפל בכך, מיור ועמיתיו הדגימו פרוטוקול אלגנטי ליצירת מיקרוג'לים של חומצה היאלורונית (HA) שעברו שינוי נורבורנן באמצעות פיצול אקסטרוזיה2. הידרוג'לים בתפזורת צולבים פוטו הוצאו דרך סדרה של מחטים בקטרים קטנים יותר ברצף. חלקיקי המיקרוג'ל המפוצלים שנוצרו נתקעו לאחר מכן על ידי סינון מונע ואקום ליצירת הידרוג'ל גרגירי ארוז היטב שיכול לשמש כדיו להדפסת תלת מימד מבוססת שחול. Stager et al. הציגו גישת פיצול נוספת שבה הידרוג'ל צ'יטוזן צולב הוצא דרך מסנן רשת כדי ליצור חלקיקי מיקרוג'ל בגודלמבוקר 3. לאחר מכן הוכח כי הידרוג'לים מקוטעים מקדמים התחדשות רקמת סחוס כאשר הם משמשים במודל חולדה עם פגיעה בלוחית גדילה.

חיבור חלקיקי מיקרוג'ל תקועים יחד מוליד הידרוג'לים גרגירים מחוסמים ופיגומים נקבוביים בתפזורת עם מיקרו-ארכיטקטורות ייחודיות. אנדרסון ועמיתיו סיפקו פרוטוקול לייצור מבוסס מיקרופלואידיקה של מיקרוג'לים HA הניתנים לקישור פוטו-צולב המיובשים לאחר מכן בהקפאה ללא נזק לרשת הפולימרים4. התייבשות מבוקרת של המיקרוג'לים הליופיליים וקישוריות לאחר מכן באמצעות סכימת קישור צולב דו-אורתוגונלי מובילה להיווצרות פיגומי HA נקבוביים עם מקטע חלקיקים מבוקר, שהוכח על ידי המחברים כמשפיע באופן משמעותי על חדירת התאים והנדידה. Roosa et al. תיארו שיטה לסינתזה מיקרופלואידית בתפוקה גבוהה של כמויות גדולות של מיקרוג'ל פוליאתילן גליקול (PEG)5. לאחר מכן המחברים מדגימים גישות לטיהור מיקרוג'ל, אפיון מיקרו-חלקיקים בסיסי וחישול חלקיקים המבוססים על מנגנון קישור צולב משני ליצירת פיגום מיקרופורוסי. רומל ואחרים הציגו גישה ליצירת פיגומים מחוסמים עם נקבוביות מוגברת על ידי שימוש בחלקיקי מיקרוג'ל אנזוטרופיים6. הם ניצלו את המיקרופלואידיקה הממוקדת בזרימה כדי ליצור מוטות מיקרוג'ל מפולימרים של כוכב-PEG עם יחסי גובה-רוחב הניתנים לשליטה. פיגומי מוט מיקרוג'ל מחוסמים יכולים לשמש כסביבה תלת מימדית לניסויים בתאים. לואו ועמיתיו הדגימו שיטה ליצירת מיקרוספירות נקבוביות פתוחות מאוד באמצעות גישה מיקרופלואידית פשוטה שיכולה לשמש להעברת תאים או תרופות ביולוגיות7.

התכונות הריאולוגיות הייחודיות של ג'לים גרגירים הופכות אותם לתומכים אידיאליים להדפסת תלת מימד משובצת של הידרוג'לים רכים ותאים8. Machour et al. שילבו גישה להדפסת תלת מימד משובצת בתוך ג'לים גרגירי ג'לטין עם הדפסת תלת מימד מבוססת עובש הקרבה כדי ליצור דשי רקמות מהונדסים9. שיטה היברידית זו מונפה ליצירת רשת כלי דם היררכית מדיו מבוסס קולגן מעורבב עם תאי אנדותל. הדש המהונדס הושתל ישירות בעורק הירך של חולדה. Jalandhra et al. הדגימו גישה ליצירת מבנים מחקי עצם באמצעות הדפסת תלת מימד משובצת של דיו קרמי מבוסס סידן פוספט בתוך ג'ל גרגירי עמוס תאים העשוי מג'לטין מתאקרילט (GelMA) מיקרוג'ל10. התמיכה הגרגירית חוסלה לאחר ההדפסה כדי לתת תמיכה לצמיחת התאים סביב המבנים המהונדסים המחקים עצם. Kajtez et al. השתמשו בהדפסת תלת מימד משובצת כדי ליצור מבני רקמה עצבית מבוססי תאי גזע אנושיים11. הם פיתחו חומר תומך בהדפסה מרוכבת המשלב מיקרוג'ל אלגינט ופתרון מטריצה חוץ-תאית מבוסס קולגן. קישור צולב עדין של חישול קולגן תומך בהדפסה כדי לספק סביבה נוחה להתמיינות של תאי גזע עצביים לנוירונים פונקציונליים. סניור ואחרים ניצלו את עיבוד הגזירה במהלך גישת הג'לציה כדי ליצור אמבט תמיכה מבוסס אגרוז להדפסת תלת מימד משובצת12. התכונות התרמיות של אגרוז מאפשרות לתרבית מבני הידרוג'ל מודפסים עמוסי תאים מבלי להמיס את אמבט התמיכה.

דיו מיקרוג'ל תקוע מציג מסלול להדפסת תלת מימד ניתנת לשליטה של כל הידרוג'ל שאחרת מאתגר להדפסה בשל הצמיגות הנמוכה שלו או דינמיקת הצלבה קשה לשליטה13. כדיו מיקרוג'ל, ניתן להדפיס הידרוג'לים בצורה מסורתית שכבה אחר שכבה או באמבט תלייה. הם יכולים גם להכיל תאים ליצירת דיו ביולוגי גרגירים. ככזה, דיו ביולוגי גרגירי מספק פתרון להדפסה ביולוגית של חומרים שאינם תואמים לשיטות מסורתיות שעלולות לדרוש תוספים או תנאי קישור צולבים המזיקים לתאים. Zaman ואחרים מספקים שיטה המשפרת עוד יותר את יכולת ההדפסה של דיו זה על ידי תכנות הידרוג'לים של GelMA עם הרכבה עצמית הפיכה של ננו-חלקיקיםבין-פנים 14. עקב אינטראקציות בין חלקיקים משתנות, ניתן להדפיס את הדיו הביולוגי הגרגירי המתקבל בצפיפות אריזה נמוכה יותר, מה שמאפשר ניסוח של דיו ביולוגי גרגירי עם מיקרופורוזיות מוגברת שנשמרת היטב לאורך כל תהליך ההדפסה. יתר על כן, המחברים מתארים מתודולוגיה ליצירת מיקרו-חלקיקי הידרוג'ל מיקרופלואידיים בתפוקה גבוהה, המרה למיקרו-אירוג'לים וחישול דיו גרגירי באמצעות טרנסגלוטמינאז.

לסיכום, אוסף מאמרים זה מספק הדרכה מעשית מפורטת למגוון רחב של יישומים של טכנולוגיית מיקרוג'ל. הקולקציה לא רק מתארת את השימוש בחומרי הידרוג'ל שונים ומנגנוני הצלבה, אלא גם מציגה מספר טכניקות ייצור ליצירת מיקרו-חלקיקי הידרוג'ל. והכי חשוב, האוסף מספק מידע שימושי כיצד להשתמש במיקרו-חלקיקי הידרוג'ל להדפסת תלת מימד ורפואה רגנרטיבית, יישומים מבטיחים ביותר של טכנולוגיות מיקרוג'ל וג'ל גרגירי.

גילויים

למחבר אין מה לחשוף.

תודות

למחבר אין אישורים.

מקורות

  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).

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

3D PrintingTissue EngineeringHydrogel FabricationMicrofluidic SynthesisScaffold FabricationBioprinting TechnologiesExtracellular Matrix CompositesGelation ProcessingAgarose Fluid Gels
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.