Строительство модульных гидрогеля листов для Micropatterned Макро-масштабного 3D Cellular архитектуры
Summary
We describe the fabrication of micropatterned hydrogel sheets using a simple process, which can be assembled and manipulated in a freestanding form. Using these modular hydrogel sheets, a simple macro-scaled 3D cell culture system can be generated with a controlled cellular microenvironment.
Abstract
Гидрогели можно рисунком на микро-масштабе с использованием микрожидкостных или micropatterning технологии, чтобы обеспечить в естественных условиях -подобных геометрию трехмерного (3D) тканей. Полученные 3D гидрогель на основе сотовой конструкции были введены в качестве альтернативы экспериментах на животных для продвинутых биологических исследований, фармакологических тестах при трансплантации органов и приложений. Хотя частицы гидрогеля на основе и волокна могут быть легко изготовлены, трудно манипулировать ими по восстановлению тканей. В этом видео мы опишем способ изготовления для micropatterned альгинат гидрогелей листов, вместе с их сборки, чтобы сформировать макро-масштабе системы 3D культуры клеток с управляемой сотовой микросреды. Использование тумана форму кальция желирующего агента, тонкие листы гидрогелевые легко получены с толщиной в диапазоне от 100 – 200 мкм, и с точными micropatterns. Клетки затем можно культивировать с геометрической руководством гидрогелевых листов вавтономные условия. Кроме того, гидрогель листы могут быть легко манипулировать с помощью микропипетки на конец вырезом наконечника, и могут быть собраны в многослойных структурах путем укладки их использовании рисунком полидиметилсилоксан (PDMS) кадра. Эти модульные гидрогелевые листы, которые могут быть изготовлены с использованием процесса, легкое иметь потенциальное применение в пробирке анализов лекарственных средств и биологических исследований, в том числе функциональных исследований микро- и макроструктуры и реконструкции ткани.
Introduction
Гидрогели особенно перспективным биоматериалов, и, как ожидается, будет важно в фундаментальной биологии, фармакологических анализов и медицины. 1 Biofabrication гидрогеля на основе клеточных конструкций было предложено сократить использование экспериментов на животных, 2,3 заменить для трансплантации тканей, 4 и улучшить клеточных анализах. 5,6 Водосодержащие (гидро-) вязкоупругие материалы (гели) позволяют большое количество клеток, которое необходимо инкапсулировать, и поддерживается в конструкции строительных лесов, чтобы контролировать клеточную микросреду 3D. В сочетании с руководством микрожидкостных или micropatterning технологий, геометри гидрогелевых конструкций можно точно контролировать на клеточном уровне. На сегодняшний день, разнообразие форм гидрогелей, в том числе частиц, 7 – 9 волокна, 10 – 12 и 13 листов, – 15 были использованы в качестве строительных блоков в восходящей утверждения предметовболит в изготовлении макроуровне многоклеточных архитектур.
Оба частицы гидрогеля на основе волокна и были легко и быстро изготавливаются для применения как микро-масштабе сотовой среде, с использованием струйных управления микрожидкостных устройств. Тем не менее, в качестве основных единиц инженерных тканей, он будет сложно изменить их и увеличить их объем, как макро-масштабных конструкций. 16 Это труднее достичь макро-масштабе конструкции, чем производить микронных основные модули. Листового единиц гидрогеля на основе конструкций могут быть использованы для увеличения объема каркасов с помощью простого процесса сборки. Последовательно, укладываются слоями гидрогеля листов обеспечивают не только объемный рост, а также геометрическую расширение в 3D-пространстве.
Ранее мы уже сообщали способ изготовления micropatterned гидрогелевые листы, 13 – 15 вместе с их сборки в мульти-LayERed сотовой архитектуры. Метод позволяет сложную micropatterning и модульную конструкцию сотовых конструкций с помощью укладки процессе многослойных структур. Через изготовления уложенных листов модульных гидрогелевых, которые micropatterned, 3D системе культуры клеток с регулируемой макромасштабной сотовой микроокружения может быть реализован. Этот протокол описывает видео простой, но эффективный способ изготовления, которые могут быть использованы для построения модульных листов гидрогель, основанный на печени человека клеточной линии карциномы HepG2 (). Мы демонстрируем здесь, простой манипуляции этих узорчатых модульных гидрогеля листов, и их сборку в многоуровневой структуре.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол обеспечивает простой способ изготовления модульных гидрогелевые листы, и собирая их, чтобы сформировать 3D клеточных каркасов.
Для построения четких узорчатые альгинатных структур в течение короткого времени, мы должны определить процесс сшивки, которые …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by a National Leading Research Laboratory Program (Grant NRF-2013R1A2A1A05006378) through the National Research Foundation of Korea funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning. The authors also acknowledge a KAIST Systems Healthcare Program.
Materials
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Corporation | 000000000001064291 | |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | Powdered nonionic surfactant |
| Alginic acid sodium salt, low viscosity | Alfa Aesar | B25266 | |
| Calcium chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| Ultrasonic humidifier | MediHeim | MH-2800 | Modified equipment, Maximum sprayed rate: 250 mL/h |
| Nylon net filter hydrofilic, 180 μm | EMD Millipore | NY8H04700 | |
| Polycarbonate mold | Customized mold for fabrication of a PDMS frame pattern |
References
- Hoffman, A. S. Hydrogels for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 64 (Supplement), 18-23 (2012).
- Lan, S., Starly, B. Alginate based 3D hydrogels as an in vitro co-culture model platform for the toxicity screening of new chemical entities. Toxicol. Appl. Pharm. 256 (1), 62-72 (2011).
- Szot, C. S., Buchanan, C. F., Freeman, J. W., Rylander, M. N. 3D in vitro bioengineered tumors based on collagen I hydrogels. Biomaterials. 32 (31), 7905-7912 (2011).
- Lim, F., Sun, A. M. Microencapsulated islets as bioartificial endocrine pancreas. Science. 210 (4472), 908-910 (1980).
- Koh, W. G., Itle, L. J., Pishko, M. V. Molding of hydrogel microstructures to create multiphenotype cell microarrays. Anal. Chem. 75 (21), 5783-5789 (2003).
- Xu, Y., et al. A Microfluidic Hydrogel Capable of Cell Preservation without Perfusion Culture under Cell-Based Assay Conditions. Adv Mater. 22 (28), 3017-3021 (2010).
- Um, E., Lee, D. S., Pyo, H. S., Park, J. K. Continuous generation of hydrogel beads and encapsulation of biological materials using a microfluidic droplet-merging channel. Microfluid. Nanofluid. 5 (4), 541-549 (2008).
- Lee, D. H., Lee, W., E, U. m., Park, J. K. Microbridge structures for uniform interval control of flowing droplets in microfluidic networks. Biomicrofluidics. 5 (3), 034117 (2011).
- Lee, D. H., Bae , C. Y., Han, J. I., Park, J. K. In situ analysis of heterogeneity in the lipid content of single green microalgae in alginate hydrogel microcapsules. Anal. Chem. 85 (18), 8749-8756 (2013).
- Yamada, M., Sugaya, S., Naganuma, Y., Seki, M. Microfluidic synthesis of chemically and physically anisotropic hydrogel microfibers for guided cell growth and networking. Soft Matter. 8 (11), 3122-3130 (2012).
- Yamada, M., et al. Controlled formation of heterotypic hepatic micro-organoids in anisotropic hydrogel microfibers for long-term preservation of liver-specific functions. Biomaterials. 33 (33), 8304-8315 (2012).
- Onoe, H., et al. Metre-long cell-laden microfibres exhibit tissue morphologies and functions. Nat. Mater. 12 (6), 584-590 (2013).
- Lee, W., Son, J., Yoo, S. S., Park, J. K. Facile and Biocompatible Fabrication of Chemically Sol−Gel Transitional Hydrogel Free-Standing Microarchitectures. 12 (1), 14-18 (2011).
- Lee, W., et al. Cellular hydrogel biopaper for patterned 3D cell culture and modular tissue reconstruction. Adv. Healthcare Mater. 1 (5), 635-639 (2012).
- Bae, C. Y., Min, M. K., Kim, H., Park, J. K. Geometric effect of the hydrogel grid structure on in vitro formation of homogeneous MIN6 cell clusters. Lab Chip. 14 (13), 2183-2190 (2014).
- Bruzewicz, D. A., McGuigan, A. P., Whitesides, G. M. Fabrication of a modular tissue construct in a microfluidic chip. Lab Chip. 8 (5), 663-671 (2008).
- Choi, S., Park, J. K. Two-step photolithography to fabricate multilevel microchannels. Biomicrofluidics. 4 (4), 046503 (2010).
- Lee, B. R., et al. In situ formation and collagen-alginate composite encapsulation of pancreatic islet spheroids. Biomaterials. 33 (3), 837-845 (2012).
- Cabodi, M., Choi, N. W., Gleghorn, J. P., Lee, C. S., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. A microfluidic biomaterial. J. Am. Chem. Soc. 127 (40), 13788-13789 (2005).
- Choi, N. W., Cabodi, M., Held, B., Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J., Stroock, A. D. Microfluidic scaffolds for tissue engineering. Nat. Mater. 6 (11), 908-915 (2007).
- Rowley, J. A., Madlambayan, G., Mooney, D. J. Alginate hydrogels as synthetic extracellular matrix materials. Biomaterials. 20 (1), 45-53 (1999).
