本プロトコルは、単一エマルジョン製剤ベースの簡単なマイクロ流体技術を介したポリ(乳酸-co-グリコール酸)ベースの高開口多孔質ミクロスフェア(HOPM)の製造について説明しています。これらのミクロスフェアは、組織工学や薬物スクリーニングに応用できる可能性があります。
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本プロトコルは、単一エマルジョン製剤ベースの簡単なマイクロ流体技術を介したポリ(乳酸-co-グリコール酸)ベースの高開口多孔質ミクロスフェア(HOPM)の製造について説明しています。これらのミクロスフェアは、組織工学や薬物スクリーニングに応用できる可能性があります。
バルク足場や細胞のみの直接注入と比較して、注射可能なモジュラーユニットは、細胞のパッケージングの利便性、細胞保持の改善、および侵襲性の最小化により、機能不全の組織の修復に大きな関心を集めています。さらに、これらのマイクロスケール担体の多孔質コンフォメーションは、培地交換を強化し、栄養素と酸素供給のレベルを改善する可能性があります。本研究は、細胞送達アプリケーションのための簡単なマイクロ流体技術によるポリ(乳酸-co-グリコール酸)ベースの高開放多孔質ミクロスフェア(PLGA-HOPM)の簡便な製造を示しています。得られた単分散PLGA-HOPMは、~400 μmの粒径と~50 μmの開孔を有し、相互接続窓を有していた。簡単に説明すると、7.5%(w / v)ゼラチン水相で包まれた乳化油滴(ジクロロメタン中のPLGA溶液、DCM)を、カスタマイズされたマイクロ流体セットアップの同軸ノズルを介して1%(w / v)連続的に流れるポリ(ビニルアルコール)(PVA)水溶液に導入しました。続いて、ミクロスフェアを溶媒抽出および凍結乾燥手順にかけ、その結果、HOPMが製造されました。特に、さまざまな配合(PLGAとポロジェンの濃度)と処理パラメータ(乳化力、ニードルゲージ、分散相の流量)は、得られるPLGA HOPMの品質と特性に重要な役割を果たします。さらに、これらのアーキテクチャは、拡張された創薬および組織再生アプリケーションのために、成長因子などの他のさまざまな生化学的手がかりをカプセル化する可能性があります。
細胞を含んだミクロスフェアは、in situでの細胞保持能力の向上、細胞の効率的な送達、およびその後のin vivoでの細胞増殖能力などの好ましい利点を提供します1。現在までに、組織再生または薬物スクリーニングアプリケーションのための細胞の助長環境をサポートするための成功した足場構造を開発するために、多くの研究が提唱されてきました2。しかし、低酸素環境は、栄養素/酸素の供給不足と代謝廃棄物の蓄積のために、内部で避けられないことがよくあります3。これらの問題を克服するために、様々な生体材料を用いて高多孔性ミクロスフェア(PM)が開発されてきた4,5,6。さらに、動的培養では、足場は過度のせん断応力7に悩まされ、培地の不安定な状態はPMの忠実度を損なう可能性があります。 あるいは、ポリ(乳酸-co-グリコール酸)(PLGA)を使用して、動的培養用の機械的強度に優れたPMを処理することもできます1。例えば、マウス筋芽細胞(C2C12)を配合したPLGA高開放型PM(HOPM)とヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)を配合したポリ(エチレングリコール)中空マイクロロッドを同時注射し、体積筋の喪失を治癒させることで実証し、in situ骨格筋再生の著しい改善を達成しました8。
特に、PMは大きな表面積と高い多孔性を特徴とし、これは細胞接着と低侵襲細胞送達に向けた成長に特に関心があります9。これらの態様を考慮して、PM10、11を製造するために様々な生体適合性材料が採用されてきた。細胞と共培養されたこれらの設計可能なPMは、優れた接着性、かなりの機械的強度、および高度に相互接続された窓を提供し、損傷した組織を修復するための細胞増殖を改善する可能性があります12。これに関して、多孔質球体13、14を作製するための様々な技術も開発されている。一方では、PMはNH4HCO3などのガス形成剤を使用して製造され、相互接続性が不十分なために抑制されました15,16,17。一方、PMは乳化後に直接せん断され、多分散PM18につながった。結局、エマルジョンテンプレートアプローチに基づく液滴マイクロ流体技術は、均一なサイズの粒子をもたらすことが多いため、PMを構築するための効率的な方法である可能性があります19。特に、ミクロスフェアの形態学的属性は、生成されたエマルジョン液滴の品質(すなわち、油中水型W/O、または水中油型O/W)に依存することが多く、これは生体材料の属性に大きく影響し得る20。事前に設計されたマイクロ流体プラットフォームを適用して、マイクロファイバーまたはマイクロスフェアを生成できることは注目に値します。ある例では、Yuらは、毛細管ベースのマイクロ流体プラットフォームに基づく細胞を含んだ微小繊維構造体の生成を実証し、これは天然組織を模倣するための細胞ネットワークを組み立てるために使用できる21。別の例では、Yeらは、マイクロ流体技術を通じてシリカコロイド結晶ビーズのテンプレート複製によってフォトニック結晶マイクロカプセルを作製し、これは複雑な標識および特定の装置を必要とする現在の技術の多くの制限を克服することができた22。
実際、この技術を利用する理由は、性質が簡単であること、高度な機器を必要としないこと、細胞送達や再生医療用途で均一なサイズのPMを合成する際の利便性など、さまざまな利点によるものです。これに関連して、エマルジョンテンプレートの事前に設計されたコンポーネントを使用すると、ポリ(塩化ビニル)(PVC)チューブ、ガラスキャピラリー、および針から組み立てられたマイクロ流体デバイスから、高い気孔率と相互接続性を備えたPMを便利に得ることができます。W/Oエマルション前駆体は、ゼラチン水溶液とPLGAの有機溶液を均質化することによって調製されます。エマルジョンの適用部分を選択的にマイクロ流体プラットフォームに注入することにより、均一な粒子サイズと表面全体から内部までの相互接続された細孔を有するPMが製造される。本プロトコルは、マイクロ流体プラットフォームでのエマルジョンテンプレート化によってPLGA-HOPMを作製することを目的としています。このプロトコルは、PLGA-HOPMの再現性のある生産を可能にし、組織工学および薬物スクリーニングの関連分野に適用できる可能性があると考えられています。
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1.溶液の調製
2. 液滴マイクロ流体デバイスの実装とPLGA-HOPMの作製
注:このアセンブリに必要な消耗品は、 材料表に記載されています。
3. 走査型電子顕微鏡(SEM)イメージング
4. 細胞培養と蛍光イメージング
注:ラット骨髄間葉系幹細胞(BMSC)が本研究に使用されました。細胞は市販の供給源から入手した( 材料表を参照)。
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主要なパラメータ1を最適化した以前の研究に基づいて、PLGAを蒸発性DCM溶媒に溶解しました。一次W / Oエマルジョンは、超音波プローブ処理下でゼラチンと均質化することによって調製された。カスタマイズされたコフロー流体構造は単純化して組み立てられ、シリンジを使用して流れを絶えず導入しました。さらに、PLGAミクロスフェアのPVAおよびゼラチンを除去するために十分なすすぎ手順を実施した(図1A、補足図1A、B)。続いて、PLGA-HOPMの形態学的属性をSEMイメージングによって観察した。PLGA-HOPMは、任意のサイズの細孔(10-100 μm)と相互接続された窓を備えた大きなサイズ(350-500 μm)を示し、酸素/代謝廃棄物の輸送の高効率を促進する可能性があることが観察されました(図1B)。これらの形態学的結果は、報告された結果と一致した1。
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この記事では、PLGAベースのアーキテクチャ、つまりPLGA-HOPMを製造するための効率的な戦略について説明します。PLGAの溶媒揮発の回避およびエマルジョンの調製中の標的位置への超音波パワーの穏やかな調整を含む、いくつかの重要なステップを慎重に行わなければならないことに留意されたい。さらに、20mLシリンジの液体出口は、乳化前駆体の相分離を解決するためにある程度調整することができる。しかしながら、制限は、ポロゲンの状態が環境温度によって影響を受けるので、エマルジョンの安定性が望ましくない場合があることである。一緒に、液滴マイクロ流体プラットフォームの便利な組み立ては、組織工学および薬物スクリーニングアプリケーションのための細胞を含んだミクロゲルの製造を実質的に容易にすることができる。PLGAは、食品医薬品局(FDA)承認のドラッグデリバリー商品であるため、ミクロスフェアを製造する際のデリバリービヒクルとして頻繁に適用されます25。さらに、脂肪族ポリエステルは、合成手順中のラクチド酸およびグリコール酸の比率に依存する、インビトロまたはインビボのいずれか...
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著者は開示するものは何もありません。
SCL、YW、RKK、AZCは、中国国家自然科学財団(NSFC、32071323、81971734、およびU1605225)および福建省大学の科学技術革新研究チームプログラムからの財政的支援を認めています。YSZはこれらのプログラムのいずれによってもサポートされておらず、いかなる種類の支払いも受け取っていませんでした。代わりに,ブリガム・リサーチ・インスティテュートからの支援が認められています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 遠心分離管 | Solarbio, Beijing, China | 5 mL & 50 mL (sterility) | |
| 共焦点レーザー走査顕微鏡 | Leica, Wetzlar, Germany | TCS SP8 | |
| Dichlorometane | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, Shanghai, China | 20161110 | Research Grade |
| Dispensing needle | Kindly, Shanghai, China | 26 G, ID: 250 μメートル、外径:460 μm | |
| DMEM/F-12 | ギブコ;Life Technologies Corporation, Calsbad, USA | 15400054 | DMEM/F-12 50/50, 1x (Dulbecco's Mod.Eagle's Medium/Ham's F12 50/50 Mix)とL-グルタミン |
| エチルアルコール | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, Shanghai, China | 20210918 | Research Grade |
| Ethyl-enediaminetetraacetic acid (EDTA)-trypsin | Biological Industries, Kibbutz Beit-Haemek, Isra | Trypsin (0.25%), EDTA (0.02%) | |
| Biological | Industries, Kibbutz Beit-Haemek, Isra | 研究用グレードの | |
| 凍結乾燥機 | ビロン、上海、中国 | FD-1B-50 | |
| ゼラチン | Sigma-Aldrich Co. Ltd、セントルイス、米国 | ロット# SZBF2870V | 豚の皮から、タイプA |
| ガラス底板 | バイオシャープ、合肥、中国 | BS-15-GJM、35 mm | |
| ガラス毛細管 | Huaou、江蘇省、中国 | 0.9-1.1 × 120 mm | |
| インキュベーターシェーカー | Zhicheng, Shanghai, China | ZWYR-200D | |
| 生死キット 細胞イメージングキット | Solarbio, Beijing, China | 60421211112 | 生細胞の緑色蛍光 (ex/em 488 nm/515 nm).死細胞の赤色蛍光(ex/em 570 nm/602 nm) |
| 低速遠心分離機 | Xiangyi、湖南省、中国 | TD5A | |
| マグネトロンスパッタ | Riye electric Co. Ltd、蘇州、中国 | MSP-2S | |
| マイクロフロー注入ポンプ | ハーバード装置、ホリストン、米国 | ハーバードポンプ11プラス | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | 生物産業、キブツベイトヘメク、イスラ | 2135250 | 研究グレードの |
| リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS) | Servicebio Technology Co.、Ltd.武漢、中国 | GP21090181556 | PBS 1x、培養グレード、カルシウムなし、マグネシウム |
| なしポリ(乳酸-co-グリコール酸) | Sigma-Aldrich Co. Ltd、セントルイス、米国 | ロット#MKCF9651 | 66–107 kDa、ラクチド:グリコリド 75:25 |
| ポリ(ビニルアルコール) | Sigma-Aldrich Co. Ltd、セントルイス、米国 | ロット# MKCK4266 | 13-13 kDa、98% 加水分解 |
| PVCチューブ | 深セン、上海、中国 | 内径、ID:1 mm | |
| ラット骨髄間葉幹細胞 | Procell、武漢、中国 | ||
| 走査型電子顕微鏡 | Phenom pure、アイントホーフェン、オランダ | 医療目的で加速電圧を5kV | |
| シリン | 親切に、上海、中国 | 5mL&50mL(針付き) | |
| 温度ウォーターバス | 明郷、深セン、中国 | 36 W | |
| 変圧器 | Riye電気有限公司、蘇州、中国 | SZ-2KVA | |
| 超音波セルブレー | カーJY 92-IID、Scientz、寧波、中国 | JY92-IID | |
| UV硬化接着剤 | Zhuolide、佛山、中国 | D-3100 |
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