Artykuł metodologiczny

Mikrożele i żele granulowane: od rusztowań iniekcyjnych i biotuszy po podpory do druku 3D

580 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64998

⸱

14 lipca 2023

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

W tym artykule

Streszczenie

OMÓWIONE ARTYKUŁY:

  1. Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. Fragmentacja hydrożeli luzem i przetwarzanie na granulowane hydrożele do zastosowań biomedycznych. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (183), E63867 (2022).
  2. Stager, MA, Erickson, CB, Payne, KA, Krebs, MD Wytwarzanie mikrożeli chitozanowo-genipinowych o kontrolowanej wielkości i bez emulsji do zastosowań w inżynierii tkankowej. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (182), E63857 (2022).
  3. Anderson, AR, Segura, T. Kontrolowanie frakcji cząstek w mikroporowatych rusztowaniach z wyżarzonymi cząstkami do hodowli komórek 3D. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (188), E64554 (2022).
  4. Roosa, C. i wsp. Mikroprzepływowa synteza mikrożelowych bloków budulcowych do mikroporowatego rusztowania z wyżarzonymi cząstkami. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (184), E64119 (2022).
  5. Rommel, D., Vedaraman, S., Mork, M., De Laporte, L. Połączone makroporowate rusztowania 3D z prętów mikrożelowych. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (184), E64010 (2022).
  6. Luo, SC, Wang, Y., Kankala, RK, Zhang, YS Chen, A. -Z. Wytwarzanie wysoce otwartych porowatych mikrosfer (HOPM) za pomocą technologii mikroprzepływowej. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (183), E63971 (2022).
  7. Machour, M., Szklanny, A. A., Levenberg, S. Wytwarzanie zaprojektowanych płatów naczyniowych przy użyciu technologii druku 3D. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (183), E63920 (2022).
  8. Jalandhra, G., Romanazzo, S., Nemec, S., Roohani, I., Kilian, KA Ceramiczny biodruk dookólny w zawiesinach komórkowych do wytwarzania analogów kości. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (186), E63943 (2022).
  9. Kajtez, J., Radeke, C., Lind, J. U., Emneus, J. Kompozytowe wsparcie mikrożelowo-zewnątrzkomórkowej macierzy do wbudowanego drukowania 3D ludzkich konstruktów neuronowych. Dziennik eksperymentów wizualnych. (195) E65158 (2023).
  10. Senior, J. J. i in. Płynne żele agarozowe utworzone przez obróbkę ścinającą podczas żelowania do zawieszonego biodruku 3D. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (195), E64458 (2022).
  11. Ataie, Z., Jaberi, A., Kheirabadi, S., Risbud, A., Sheikhi, A. Rusztowania hydrożelowe z żelatyny metakryloylowej granulowanej: wysokoprzepustowa produkcja mikrożeli, liofilizacja, montaż chemiczny i biodruk 3D. Dziennik Eksperymentów Wizualnych. (190), E64829 (2022).

Artykuł redakcyjny

Technologia mikrożelowa stała się potężnym i wszechstronnym narzędziem do zastosowań w medycynie regeneracyjnej i inżynierii tkankowej1. Podobnie jak ich masowe odpowiedniki, mikrożele charakteryzują się wysoką zawartością wody, regulowanymi właściwościami fizykochemicznymi i naśladowaniem rodzimego środowiska zewnątrzkomórkowego. Dzięki postępowi w technikach wytwarzania, mikrożele mogą być produkowane w różnych kształtach i rozmiarach z różnych naturalnych i syntetycznych polimerów. Mogą być również wykorzystywane do kontrolowanej enkapsulacji komórek i terapii. Jedną z głównych zalet mikrożeli w porównaniu z tradycyjnymi hydrożelami luzem jest to, że można je łatwo wstrzykiwać, co pozwala na minimalnie inwazyjne dostarczanie ładunku komórkowego, leków lub rusztowań biologicznych do naprawy tkanek. Co więcej, modułowe systemy mikrożelowe są łatwo osiągalne poprzez mieszanie populacji mikrożeli o różnych właściwościach, podczas gdy osadzanie mikrożeli w konwencjonalnych hydrożelach zapewnia drogę do kompozytów z miękkiej materii. Kiedy wiele mikrożeli jest pakowanych w stan zakleszczenia, powstają żele ziarniste, materiały sypkie o dynamicznych właściwościach makroskali, które można wykorzystać jako kąpiel nośną do wbudowanego druku trójwymiarowego (3D) lub jako tusze do druku 3D. W tym zbiorze artykułów omówiono szeroki zakres metod formułowania i wytwarzania mikrożeli, a także ich wykorzystanie do potencjalnych zastosowań biomedycznych.

Bardzo potrzebne są opłacalne, wolne od emulsji i niewymagające technologicznie podejścia do wytwarzania mikrożeli w dużych ilościach. Aby rozwiązać ten problem, Muir i in. zademonstrowali elegancki protokół wytwarzania mikrożeli kwasu hialuronowego (HA) modyfikowanych norbornenem poprzez fragmentację ekstruzji2. Usieciowane foto hydrożele luzem wytłaczano przez szereg igieł o sekwencyjnie mniejszych średnicach. Powstałe rozdrobnione cząstki mikrożelu zostały następnie zagłuszone przez filtrację próżniową, tworząc ciasno upakowany granulowany hydrożel, który można wykorzystać jako tusz do druku 3D na bazie wytłaczania. Stager i in. przedstawili inne podejście do fragmentacji, w którym usieciowany hydrożel chitozanowy został wytłoczony przez filtr siatkowy w celu wygenerowania cząstek mikrożelu o kontrolowanym rozmiarze3. Następnie wykazano, że rozdrobnione hydrożele wspomagają regenerację tkanki chrzęstnej, gdy są stosowane w modelu szczura z uszkodzeniem płytki wzrostowej.

Łączenie ze sobą zakleszczonych cząstek mikrożelu powoduje powstanie wyżarzonych granulowanych hydrożeli i porowatych rusztowań masowych o unikalnej mikroarchitekturze. Anderson i in. przedstawili protokół dla opartego na mikroprzepływach generowania fotosieciowalnych mikrożeli HA, które są następnie liofilizowane bez uszkodzenia sieci polimerowej4. Kontrolowane uwodnienie liofilizowanych mikrożeli, a następnie ich wzajemne łączenie za pomocą biorthogonalnego schematu sieciowania prowadzi do powstania porowatych rusztowań HA o kontrolowanej frakcji cząstek, co jak wykazali autorzy, znacząco wpływa na infiltrację i migrację komórek. Roosa i wsp. opisali metodę wysokoprzepustowej syntezy mikroprzepływowej dużych ilości mikrożeli glikolu polietylenowego (PEG)5. Następnie autorzy demonstrują podejścia do oczyszczania mikrożeli, podstawowej charakterystyki mikrocząstek i wyżarzania cząstek w oparciu o wtórny mechanizm sieciowania w celu utworzenia mikroporowatego rusztowania. Rommel i in. zaprezentowali podejście do generowania rusztowań wyżarzonych o zwiększonej porowatości poprzez wykorzystanie anizotropowych cząstek mikrożelu6. Wykorzystali mikrofluidykę skupiającą przepływ, aby stworzyć pręty mikrożelowe z polimerów typu star-PEG o kontrolowanych proporcjach. Rusztowania prętowe z mikrożelu mogą być używane jako środowisko 3D do eksperymentów komórkowych. Luo i in. zademonstrowali metodę generowania wysoce otwartych porowatych mikrosfer za pomocą prostego podejścia mikroprzepływowego, które można wykorzystać do dostarczania komórek lub leków biologicznych7.

Unikalne właściwości reologiczne żeli granulowanych sprawiają, że są one idealnymi nośnikami do wbudowanego druku 3D miękkich hydrożeli i komórek8. Machour i in. połączyli podejście do wbudowanego drukowania 3D w żelatynowych granulowanych żelach z drukiem 3D opartym na formach protektorowych, aby stworzyć zmodyfikowane płaty tkanek9. Ta hybrydowa metoda została wykorzystana do stworzenia hierarchicznej sieci naczyniowej z tuszu na bazie kolagenu zmieszanego z komórkami śródbłonka. Zmodyfikowany płat został następnie bezpośrednio wszczepiony do tętnicy udowej szczura. Jalandhra i in. zademonstrowali podejście do tworzenia konstruktów naśladujących kości poprzez wbudowane drukowanie 3D tuszu ceramicznego na bazie fosforanu wapnia wewnątrz obciążonego komórkami granulowanego żelu wykonanego z mikrożeli metakrylanu żelatyny (GelMA)10. Granulowany nośnik został wyżarzony po drukowaniu, aby zapewnić wsparcie dla wzrostu komórek wokół zmodyfikowanych struktur naśladujących kości. Kajtez i in. wykorzystali wbudowany druk 3D do stworzenia konstruktów tkanki nerwowej opartej na ludzkich komórkach macierzystych11. Opracowali kompozytowy materiał wspomagający drukowanie, który łączy w sobie mikrożele alginianowe i roztwór macierzy zewnątrzkomórkowej na bazie kolagenu. Delikatne sieciowanie kolagenu wyżarza podporę drukowania, aby zapewnić korzystne środowisko do różnicowania nerwowych komórek macierzystych w funkcjonalne neurony. Senior i in. wykorzystali przetwarzanie ścinania podczas podejścia żelowego, aby wygenerować kąpiel podporową na bazie agarozy do wbudowanego druku 3D12. Właściwości termiczne agarozy umożliwiają hodowlę drukowanych konstruktów hydrożelowych z komórkami bez topienia kąpieli podporowej.

Zacięte atramenty mikrożelowe stanowią drogę do kontrolowanego drukowania 3D prawdopodobnie dowolnego hydrożelu, który w przeciwnym razie byłby trudny do wydrukowania ze względu na jego niską lepkość lub trudną do kontrolowania dynamikę sieciowania13. Jako tusze mikrożelowe, hydrożele mogą być drukowane w tradycyjny sposób warstwa po warstwie lub w kąpieli zawiesinowej. Mogą również pomieścić komórki do tworzenia ziarnistych biotuszy. W związku z tym granulowane biotusze stanowią rozwiązanie do biodruku materiałów niekompatybilnych z tradycyjnymi metodami, które mogą wymagać dodatków lub warunków sieciowania szkodliwych dla komórek. Zaman i wsp. podają metodę, która jeszcze bardziej zwiększa drukowalność tych atramentów poprzez programowanie hydrożeli GelMA z odwracalną samoorganizacją nanocząstek międzyfazowych14. Ze względu na zmienione interakcje międzycząsteczkowe, powstałe nanoinżynieryjne granulowane biotusze mogą być drukowane przy niższej gęstości upakowania, co pozwala na formułowanie granulowanych biotuszy o zwiększonej mikroporowatości, dobrze zachowanych w całym procesie drukowania. Ponadto autorzy opisują metodologię wysokoprzepustowego wytwarzania mikrocząstek mikrofluidycznego hydrożelu, konwersji do mikroaerożeli oraz granulowanego wyżarzania atramentu przy użyciu transglutaminazy.

Podsumowując, ten zbiór artykułów zawiera szczegółowe praktyczne wskazówki dotyczące szerokiego zakresu zastosowań technologii mikrożelowej. Kolekcja nie tylko opisuje zastosowanie różnych materiałów hydrożelowych i mechanizmów sieciowania, ale także przedstawia kilka technik wytwarzania mikrocząstek hydrożelu. Co najważniejsze, kolekcja dostarcza przydatnych informacji na temat wykorzystania mikrocząstek hydrożelu do druku 3D i medycyny regeneracyjnej, co jest bardzo obiecującym zastosowaniem technologii mikrożeli i żeli granulowanych.

Oświadczenia

Autor nie ma nic do zdradzienia.

Podziękowania

Autor nie ma żadnych podziękowań.

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

3D PrintingTissue EngineeringHydrogel FabricationMicrofluidic SynthesisScaffold FabricationBioprinting TechnologiesExtracellular Matrix CompositesGelation ProcessingAgarose Fluid Gels

Powiązane artykuły