بروتوكولات 3D بيوريتينغ من الجيلاتين ميثاكريلويل هيدروجيل القائم علي الحيوية
Summary
العرض هنا هو طريقه لميثاكريلويل البيولوجية ثلاثية الابعاد من الجيلاتين.
Abstract
أصبحت ميثاكريلويل الجيلاتين (GelMA) الحيوية الشعبية في مجال القرصنة البيولوجية. اشتقاق هذه المادة هو الجيلاتين ، والذي تحلل من الكولاجين الثدييات. وهكذا ، فان متواليات حمض ارجينين-الجليس-الاسبارتيك (RGD) والزخارف المستهدفة من المصفوفة الفلزية (التناسبية) تبقي علي السلاسل الجزيئية ، التي تساعد علي تحقيق الخلية المرفقة والتحلل. وعلاوة علي ذلك ، خصائص تشكيل GelMA هي تنوعا. تسمح مجموعات ميثاكرياميد بان تصبح المواد متداخلة بسرعة تحت أشعه الضوء في وجود البادئ الضوئي. ولذلك ، فانه من المنطقي جدا لإنشاء أساليب مناسبه لتوليف ثلاثي الابعاد (3D) الهياكل مع هذه المواد الواعدة. ومع ذلك ، اللزوجة المنخفضة يقيد القابلية للطباعة GelMA. المعروضة هنا هي طرق لتنفيذ القرصنة البيولوجية 3d من الهلام المائي gelma ، وهي تلفيق المجالات المجهرية gelma ، وألياف gelma ، والهياكل المعقدة gelma ، ورقائق ميكروفلويديك القائم علي gelma. وتناقش الهياكل الناتجة والتوافق الإحيائي للمواد فضلا عن أساليب الطباعة. ويعتقد ان هذا البروتوكول قد يكون بمثابه جسر بين حيوي التطبيقية سابقا و GelMA ، فضلا عن المساهمة في إنشاء معماريات 3D المستندة إلى GelMA للتطبيقات الطبية الحيوية.
Introduction
ويعتقد ان المواد الهلامية المائية هي ماده مناسبه في مجال biofabrication1،2،3،4. ومن بينها ، أصبحت ميثاكريلويل الجيلاتين (GelMA) واحده من الحيوي الأكثر تنوعا ، التي اقترحت في البداية في 2000 من قبل فان دن بولكي وآخرون5. يتم توليفها GelMA من قبل رد الفعل المباشر من الجيلاتين مع انهيدريد ميثاكريليك (MA). يتكون الجيلاتين ، الذي تحلله الكولاجين الثدييات ، من الزخارف المستهدفة من المصفوفة الفلزية (التناسبية). وهكذا ، في المختبر ثلاثي الابعاد (3D) نماذج الانسجه التي انشاتها GelMA يمكن ان تحاكي بشكل مثالي التفاعلات بين الخلايا والمصفوفة خارج الخلية (ECM) في الجسم المجري. وعلاوة علي ذلك ، تبقي متواليات حمض ارجينين-غليسين-الاسبارتيك (RGD) ، والتي هي غائبه في بعض الهلام المائي الأخرى مثل الجينات ، علي السلاسل الجزيئية من GelMA. وهذا يجعل من الممكن لتحقيق المرفق من الخلايا مغلفه داخل الشبكات هيدروجيل6. بالاضافه إلى ذلك ، فان قدره التشكيل من GelMA واعده. تتفاعل مجموعات ميثاكرياميد علي سلاسل GelMA الجزيئية مع البادئ تحت ظروف رد الفعل المعتدل وتشكل الروابط الثنائية عند التعرض للإشعاع الخفيف. لذلك ، يمكن ان تكون الهياكل المطبوعة متداخلة بسرعة للحفاظ علي الاشكال المصممة بطريقه بسيطه.
استنادا إلى هذه الخصائص ، سلسله من الحقول الاستفادة من GelMA لتنفيذ التطبيقات المختلفة ، مثل هندسه الانسجه ، وتحليل الخلايا الاساسيه ، وفحص المخدرات ، والاستشعار البيولوجي. ووفقا لذلك ، تم أيضا البرهنة علي مختلف استراتيجيات التصنيع7و8و9و10و11و12و13و14. ومع ذلك ، فانه لا يزال من الصعب تنفيذ 3D بيورينتينج علي أساس GelMA ، والذي يرجع إلى خصائصه الاساسيه. GelMA هي ماده حساسة لدرجه الحرارة. اثناء عمليه الطباعة ، يجب التحكم في درجه حرارة الغلاف الجوي للطباعة بصرامة من أجل الحفاظ علي الحالة المادية للحبر الحيوي. إلى جانب ذلك ، فان لزوجه GelMA اقل عموما من الهلام المائي الشائع الأخرى (اي الجينات ، الشيسان ، حمض الهيالورونيك ، الخ). ومع ذلك ، تواجه عقبات أخرى عند بناء ابنيه 3D مع هذه المواد15.
تلخص هذه المقالة العديد من الطرق للحصول علي المواد البيولوجية ثلاثية الابعاد من gelma التي اقترحها مختبرنا وتصف العينات المطبوعة (اي توليف المجالات المجهرية gelma ، وألياف gelma ، والهياكل المعقدة gelma ، ورقائق ميكروفلويديك المستندة إلى gelma). كل أسلوب لديه وظائف متخصصة ويمكن اعتمادها في حالات مختلفه مع متطلبات مختلفه. يتم إنشاء المجالات المجهرية GelMA بواسطة وحده كهربية ، والتي تشكل قوه كهربائيه خارجيه اضافيه لتقليص حجم القطيرات. من حيث ألياف GelMA ، يتم مقذوف من قبل فوهه بيورينتينج المحورية مع مساعده من الجينات الصوديوم اللزج. الاضافه إلى ذلك ، يتم إنشاء هياكل ثلاثية الابعاد معقده مع المعالجة الضوئية الرقمية (DLP) بيورسانتر. وأخيرا ، يقترح استراتيجية التقاطع مرتين لبناء رقائق ميكروفلويديك المستندة إلى gelma ، والجمع بين هيدروجيل gelma ورقائق التقليدية ميكروفلويديك. ويعتقد ان هذا البروتوكول هو ملخص كبير للاستراتيجيات البيولوجية GelMA المستخدمة في مختبرنا وقد تلهم الباحثين الآخرين في المجالات النسبية.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المقالة العديد من الاستراتيجيات لافتعال هياكل gelma 3d ، وهي المجالات المجهرية gelma ، وألياف gelma ، والهياكل المعقدة gelma ، ورقائق ميكروفلويديك المستندة إلى gelma. GelMA قد واعده التوافق الحيوي والقدرة علي تشكيل ويستخدم علي نطاق واسع في مجال biofabrication. الهياكل المجهرية هي مناسبه لإطلاق المخدرا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد أشرف علي هذا العمل البرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (2018YFA0703000) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم U1609207 ، 81827804) ، والصندوق العلمي لمجموعات البحوث الابداعيه التابعة للعلوم الطبيعية الوطنية. مؤسسه الصين (رقم 51821093).
Materials
| 0.22 μm filter membrane | Millipore | ||
| 2-(4-amidinophenyl)-6-indolecarbamidine dihydrochloride (DAPI) | Yeasen Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China | ||
| 3D bioprinter | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| 405nm wavelength light | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| co-axial nozzle | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| confocal fluorescence microscope | OLYMPUS FV3000 | ||
| digital light processing (DLP) bioprinter | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| DLP printer | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (DPBS) | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| Dulbecco's Modified Eagle Medium with L-glutamine (DMEM/F-12) | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| EFL Software | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| fetal bovine serum (FBS) | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| gelatin | Sigma-Aldrich, Shanghai, China | ||
| gelatin methacryloyl (GelMA) | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| high voltage power | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| lithium phenyl-2, 4, 6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) | SuZhou Intelligent Manufacturing Research Institute, SuZhou, China | ||
| paraformaldehyde | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| penicillin/streptomycin | Tangpu Biological Technology Co., Ltd., Hangzhou, China | ||
| sodium alginate (Na-Alg) | Sigma-Aldrich, Shanghai, China | ||
| TRITC phalloidin | Yeasen Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China | ||
| Triton X-100 | Solarbio Co., Ltd., Shanghai, China |
References
- Ahmed, E. M. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of Advanced Research. 6 (2), 105-121 (2015).
- Ashton, R. S., Banerjee, A., Punyani, S., Schaffer, D. V., Kane, R. S. Scaffolds based on degradable alginate hydrogels and poly(lactide-co-glycolide) microspheres for stem cell culture. Biomaterials. 28 (36), 5518-5525 (2007).
- Billiet, T., Vandenhaute, M., Schelfhout, J., Van Vlierberghe, S., Dubruel, P. A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering. Biomaterials. 33 (26), 6020-6041 (2012).
- Saroia, J., et al. A review on biocompatibility nature of hydrogels with 3D printing techniques, tissue engineering application and its future prospective. Bio-Design and Manufacturing. 1 (4), 265-279 (2018).
- Van Den Bulcke, A. I., et al. Structural and Rheological Properties of Methacrylamide Modified Gelatin Hydrogels. Biomacromolecules. 1 (1), 31-38 (2000).
- Sun, M., et al. Synthesis and Properties of Gelatin Methacryloyl (GelMA) Hydrogels and Their Recent Applications in Load-Bearing Tissue. Polymers. 10 (11), 1290 (2018).
- Gao, Q., et al. 3D printing of complex GelMA-based scaffolds with nanoclay. Biofabrication. 11 (3), 035006 (2019).
- Hassanzadeh, P., et al. Ultrastrong and flexible hybrid hydrogels based on solution self-assembly of chitin nanofibers in gelatin methacryloyl (GelMA). Journal of Materials Chemistry B. 4 (15), 2539-2543 (2016).
- McBeth, C., et al. 3D bioprinting of GelMA scaffolds triggers mineral deposition by primary human osteoblasts. Biofabrication. 9 (1), 015009 (2017).
- Nie, J., et al. Vessel-on-a-chip with Hydrogel-based Microfluidics. Small. 14 (45), 1802368 (2018).
- Shao, L., et al. Bioprinting of Cell-Laden Microfiber: Can It Become a Standard Product. Advanced Healthcare Materials. 8 (9), 1900014 (2019).
- Shao, L., et al. Fiber-Based Mini Tissue with Morphology-Controllable GelMA Microfibers. Small. 14 (44), 1802187 (2018).
- Xie, M., et al. Electro-Assisted Bioprinting of Low-Concentration GelMA Microdroplets. Small. 15 (4), 1804216 (2019).
- Yue, K., et al. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 73, 254-271 (2015).
- Schuurman, W., et al. Gelatin-Methacrylamide Hydrogels as Potential Biomaterials for Fabrication of Tissue-Engineered Cartilage Constructs. Macromolecular Bioscience. 13 (5), 551-561 (2013).
- Barbot, A., Decanini, D., Hwang, G. On-chip Microfluidic Multimodal Swimmer toward 3D Navigation. Scientific Reports. 6, 19041 (2016).
- Esmaeilsabzali, H., et al. An integrated microfluidic chip for immunomagnetic detection and isolation of rare prostate cancer cells from blood. Biomedical Microdevices. 18 (1), 22 (2016).
- Lee, J. M., Zhang, M., Yeong, W. Y. Characterization and evaluation of 3D printed microfluidic chip for cell processing. Microfluidics and Nanofluidics. 20 (1), 5 (2016).
- Picot, J., et al. A biomimetic microfluidic chip to study the circulation and mechanical retention of red blood cells in the spleen. American Journal of Hematology. 90 (4), 339-345 (2015).
- Ren, K., Zhou, J., Wu, H. Materials for Microfluidic Chip Fabrication. Accounts of Chemical Research. 46 (11), 2396-2406 (2013).
- Chen, H., et al. Covalently antibacterial alginate-chitosan hydrogel dressing integrated gelatin microspheres containing tetracycline hydrochloride for wound healing. Materials Science and Engineering: C. 70, 287-295 (2017).
- Fan, M., et al. Covalent and injectable chitosan-chondroitin sulfate hydrogels embedded with chitosan microspheres for drug delivery and tissue engineering. Materials Science and Engineering: C. 71, 67-74 (2017).
- Feng, J., et al. Preparation of black-pearl reduced graphene oxide-sodium alginate hydrogel microspheres for adsorbing organic pollutants. Journal of Colloid and Interface Science. 508, 387-395 (2017).
- Park, K. S., Kim, C., Nam, J. O., Kang, S. M., Lee, C. S. Synthesis and characterization of thermosensitive gelatin hydrogel microspheres in a microfluidic system. Macromolecular Research. 24 (6), 529-536 (2016).
- Zheng, Y., et al. Injectable Hydrogel-Microsphere Construct with Sequential Degradation for Locally Synergistic Chemotherapy. ACS Applied Materials, Interfaces. 9 (4), 3487-3496 (2017).
- Fernández de la Mora, J. The Fluid Dynamics of Taylor Cones. Annual Review of Fluid Mechanics. 39 (1), 217-243 (2006).
- Hsiao, A. Y., et al. Smooth muscle-like tissue constructs with circumferentially oriented cells formed by the cell fiber technology. PLoS ONE. 10, 0119010 (2015).
- Meng, Z. J., et al. Microfluidic generation of hollow Ca-alginate microfibers. Lab on a Chip. 16 (14), 2673-2681 (2016).
- Peng, L., Liu, Y., Gong, J., Zhang, K., Ma, J. Continuous fabrication of multi-stimuli responsive graphene oxide composite hydrogel fibres by microfluidics. RSC Advances. 7 (31), 19243-19249 (2017).
- Sugimoto, M., et al. Micropassage-embedding composite hydrogel fibers enable quantitative evaluation of cancer cell invasion under 3D coculture conditions. Lab on a Chip. 18 (9), 1378-1387 (2018).
- 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).
- Gao, G., et al. Tissue engineered bio-blood-vessels constructed using a tissue-specific bioink and 3D coaxial cell printing technique: a novel therapy for ischemic disease. Advanced Functional Materials. 27 (33), 1700798 (2017).
