방법 논문

마이크로겔 및 과립형 겔: 주사 가능한 스캐폴드 및 바이오잉크에서 3D 프린팅 지원에 이르기까지

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DOI:

10.3791/64998

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2023년 7월 14일

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

이 논문에서

초록

논의 된 기사 :

  1. Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. 벌크 하이드로겔을 단편화하고 생물 의학 응용 분야를 위한 과립 하이드로겔로 가공. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (183), e63867 (2022).
  2. Stager, M.A., Erickson, C.B., Payne, K.A., Krebs, M.D. 조직 공학 응용 분야를 위한 크기 제어 및 에멀젼이 없는 키토산-제니핀 마이크로겔 제작. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (182), e63857 (2022).
  3. Anderson, AR, Segura, T. 3D 세포 배양을 위한 미세 다공성 어닐링 입자 스캐폴드에서 입자 분율 제어. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (188), e64554 (2022).
  4. Roosa, C. et al. 미세다공성 어닐링 입자 스캐폴드를 위한 마이크로겔 빌딩 블록의 미세유체 합성. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (184), e64119 (2022).
  5. Rommel, D., Vedaraman, S., Mork, M., De Laporte, L. 마이크로겔 막대의 상호 연결된 거대 다공성 3D 골격. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (184), e64010 (2022).
  6. Luo, S. -C., Wang, Y., Kankala, R. K., Zhang, Y. S., Chen, A. -Z. 미세유체 기술을 통한 개방성이 높은 다공성 마이크로스피어(HOPM) 제작. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (183), e63971 (2022).
  7. Machour, M., Szklanny, A. A., Levenberg, S. 3D 프린팅 기술을 사용한 엔지니어링 혈관 피판 제작. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (183), e63920 (2022).
  8. Jalandhra, G., Romanazzo, S., Nemec, S., Roohani, I., Kilian, K. A. 뼈 유사체 생성을 위한 세포 함유 현탁액의 세라믹 전방향 바이오프린팅. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (186), e63943 (2022).
  9. Kajtez, J., Radeke, C., Lind, J. U., Emneus, J. 인간 신경 구조체의 임베디드 3D 프린팅을 위한 마이크로겔-세포외 매트릭스 복합 지원. 시각 실험 저널. (195) e65158 (2023).
  10. Senior, J. J. et al. 중단된 3D 바이오프린팅을 위한 겔화 중 전단 처리에 의해 형성된 아가로스 유체 겔. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (195), e64458 (2022).
  11. Ataie, Z., Jaberi, A., Kheirabadi, S., Risbud, A., Sheikhi, A. 젤라틴 메타크릴로일 과립 하이드로겔 스캐폴드: 고처리량 마이크로겔 제조, 동결 건조, 화학 조립 및 3D 바이오프린팅. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (190), e64829 (2022).

사설

마이크로겔 기술은 재생 의학 및 조직 공학 응용 분야를 위한 강력하고 다재다능한 도구로 부상했습니다1. 벌크 대응물과 마찬가지로 마이크로겔은 높은 수분 함량, 조정 가능한 물리화학적 특성 및 천연 세포외 환경의 모방이 특징입니다. 제조 기술의 발전으로 인해 마이크로겔은 다양한 천연 및 합성 폴리머로 다양한 모양과 크기로 생산될 수 있습니다. 또한 세포 및 치료제의 제어된 캡슐화에도 활용될 수 있습니다. 기존의 벌크 하이드로겔과 비교하여 마이크로겔의 주요 장점 중 하나는 쉽게 주사할 수 있어 조직 복구를 위한 세포 화물, 약물 또는 생물학적 스캐폴딩을 최소 침습적으로 전달할 수 있다는 것입니다. 또한, 모듈식 마이크로겔 시스템은 고유한 특성을 가진 마이크로겔 집단을 혼합하여 쉽게 얻을 수 있는 반면, 기존 하이드로겔에 마이크로겔을 내장하면 연질 물질 복합재로 가는 경로를 제공합니다. 많은 마이크로겔이 걸린 상태로 포장되면 내장된 3차원(3D) 프린팅을 위한 지지대 또는 3D 프린팅 잉크로 활용할 수 있는 동적 거시적 특성을 가진 벌크 재료인 입상 젤이 생성됩니다. 이 기사 모음에서는 마이크로겔 제형 및 제조를 위한 광범위한 방법과 잠재적인 생물 의학 응용 분야를 활용하는 방법을 탐구합니다.

대량의 마이크로겔 생성을 위한 비용 효율적이고 에멀젼이 없으며 기술적으로 까다롭지 않은 접근 방식이 절실히 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 Muiret al. 압출 단편화를 통해 노르보르넨 변형 히알루론산(HA) 마이크로겔을 생성하기 위한 우아한 프로토콜을 시연했습니다2. 광가교 벌크 하이드로겔은 순차적으로 더 작은 직경을 가진 일련의 바늘을 통해 압출되었습니다. 생성된 조각난 마이크로겔 입자는 진공 구동 여과에 의해 잼되어 압출 기반 3D 프린팅용 잉크로 사용할 수 있는 촘촘하게 채워진 입상 하이드로겔을 형성했습니다. Stager et al. 가교 키토산 하이드로겔을 메쉬 필터를 통해 압출하여 제어 된 크기3의 마이크로겔 입자를 생성하는 또 다른 단편화 접근법을 제시했습니다. 그런 다음 단편화된 하이드로겔은 성장판 손상 쥐 모델에 사용될 때 연골 조직 재생을 촉진하는 것으로 나타났습니다.

걸린 마이크로겔 입자를 서로 연결하면 어닐링된 입상 하이드로겔과 고유한 미세 구조를 가진 다공성 벌크 스캐폴드가 생성됩니다. 앤더슨 et al. 폴리머 네트워크에 손상을 주지 않고 동결 건조되는 광가교 가능한 HA 마이크로겔의 미세유체 기반 생성을 위한 프로토콜을 제공했습니다4. 동결건조된 마이크로겔의 제어된 재수화와 양직교 가교 방식을 통한 후속 상호 연결은 제어된 입자 분획을 갖는 다공성 HA 스캐폴드의 형성으로 이어지며, 저자는 세포 침윤 및 이동에 상당한 영향을 미치는 것으로 입증했습니다. Roosa et al. 다량의 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 마이크로겔의 고처리량 미세유체 합성 방법을 설명했습니다5. 그런 다음 저자는 미세 다공성 스캐폴드를 형성하기 위한 2차 가교 메커니즘을 기반으로 마이크로겔 정제, 기본 미세 입자 특성화 및 입자 어닐링에 대한 접근 방식을 시연합니다. Rommel et al. 이방성 마이크로겔 입자를 활용하여 다공성이 증가된 어닐링된 스캐폴드를 생성하는 접근 방식을 선보였습니다6. 그들은 흐름 집중 미세유체학을 활용하여 제어 가능한 종횡비를 가진 스타-PEG 폴리머에서 마이크로겔 막대를 만들었습니다. 어닐링된 마이크로겔 막대 스캐폴드는 세포 실험을 위한 3D 환경으로 사용할 수 있습니다. Luo et al. 세포 또는 생물학적 제제의 전달에 사용할 수 있는 간단한 미세유체 접근법을 통해 고도로 개방된 다공성 마이크로스피어를 생성하는 방법을 시연했습니다7.

입상 겔의 고유한 유변학적 특성은 연질 하이드로겔 및 셀의 임베디드 3D 프린팅에 이상적인 지지체입니다8. Machour et al. 젤라틴 입상 젤 내부에 내장된 3D 프린팅에 대한 접근 방식과 희생 금형 기반 3D 프린팅을 결합하여 엔지니어링 조직 플랩을 만듭니다9. 이 하이브리드 방법을 활용하여 내피 세포와 혼합된 콜라겐 기반 잉크에서 계층적 혈관 네트워크를 만들었습니다. 그런 다음 조작된 플랩을 쥐 대퇴 동맥에 직접 이식했습니다. Jalandhra et al. 젤라틴 메타크릴레이트(GelMA) 마이크로겔로 만든 세포 함유 입상 겔 내부에 인산칼슘 기반 세라믹 잉크의 내장된 3D 프린팅을 통해 뼈 모방 구조물을 만드는 접근 방식을 시연했습니다10. 입상 지지체는 조작된 뼈 모방 구조 주변의 세포 성장을 지원하기 위해 프린팅 후 어닐링되었습니다. Kajtez et al. 인간 줄기 세포 기반 신경 조직 구조를 만들기 위해 임베디드 3D 프린팅을 사용했습니다11. 그들은 알지네이트 마이크로겔과 콜라겐 기반 세포외 매트릭스 용액을 결합한 복합 인쇄 지원 재료를 개발했습니다. 콜라겐의 부드러운 가교는 프린팅 지원을 지원하여 신경 줄기 세포를 기능적 뉴런으로 분화시키는 데 유리한 환경을 제공합니다. Senior et al. 겔화 접근법 중 전단 처리를 활용하여 임베디드 3D 프린팅을 위한 아가로스 기반 지지욕을 생성했습니다12. 아가로스의 열적 특성으로 인해 인쇄된 세포가 함유된 하이드로겔 구조물을 지지조를 녹이지 않고 배양할 수 있습니다.

걸린 마이크로겔 잉크는 점도가 낮거나 제어하기 어려운 가교 역학으로 인해 인쇄하기 어려운 모든 하이드로겔의 제어 가능한 3D 프린팅 경로를 제시합니다13. 마이크로겔 잉크로서 하이드로겔은 전통적인 층별 방식으로 또는 현탁 수조에서 인쇄할 수 있습니다. 그들은 또한 세포를 수용하여 세분화된 바이오잉크를 형성할 수 있습니다. 따라서 입상 바이오잉크는 세포에 유해한 첨가제 또는 가교 조건이 필요할 수 있는 기존 방법과 호환되지 않는 재료의 바이오 프린팅을 위한 솔루션을 제공합니다. Zaman et al. 가역적 계면 나노입자 자기 조립으로 GelMA 하이드로겔을 프로그래밍하여 이러한 잉크의 인쇄성을 더욱 향상시키는 방법을 제공합니다14. 변경된 입자 간 상호 작용으로 인해 생성된 나노 엔지니어링 입상 바이오잉크는 더 낮은 패킹 밀도로 인쇄할 수 있으므로 인쇄 공정 전반에 걸쳐 미세 다공성이 증가한 입상 바이오잉크를 제형화할 수 있습니다. 또한, 저자는 고처리량 미세유체 하이드로겔 미립자 생성, 마이크로 에어로겔로의 전환 및 트랜스글루타미나제를 사용한 입상 잉크 어닐링을 위한 방법론을 설명합니다.

요약하면, 이 기사 모음은 마이크로겔 기술의 광범위한 응용 분야에 대한 자세한 실용적인 지침을 제공합니다. 이 컬렉션은 다양한 하이드로겔 재료와 가교 메커니즘의 사용을 설명할 뿐만 아니라 하이드로겔 미립자 생성을 위한 여러 제조 기술도 제시합니다. 가장 중요한 것은 이 컬렉션이 마이크로겔 및 입상 겔 기술의 매우 유망한 응용 분야인 3D 프린팅 및 재생 의학에 하이드로겔 미립자를 사용하는 방법에 대한 유용한 정보를 제공한다는 것입니다.

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감사의 글

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참고문헌

  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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