Protokoller av 3D Bioprinting av gelatin Methacryloyl hydrogel basert Bioinks
Summary
Presentert her er en metode for 3D-bioprinting av gelatin methacryloyl.
Abstract
Gelatin methacryloyl (GelMA) har blitt et populært biomaterialet innen bioprinting. Avledning av dette materialet er gelatin, som er hydrolysert fra pattedyr kollagen. Således, den arginin-Glycine-aspartic acid (RGD) sekvenser og målrette motiver av matrise metalloproteinase (MMP) forblir på de molekylære kjedene, som bidrar til å oppnå celle vedlegg og degradering. Videre formasjon egenskaper GelMA er allsidig. Den methacrylamide grupper tillate et materiale til å bli raskt krysskoblet under lys bestråling i nærvær av en photoinitiator. Derfor er det fornuftig å etablere egnede metoder for syntetisere av tredimensjonale (3D) strukturer med dette lovende materialet. Imidlertid, dens lav viskositet begrense GelMA ‘ utskriftsevnen. Presentert her er metoder for å gjennomføre 3D bioprinting av GelMA hydrogeler, nemlig fabrikasjon av GelMA mikrosfærer, GelMA fibre, GelMA komplekse strukturer, og GelMA-baserte mikrovæskebasert chips. De resulterende strukturene og biokompatibilitet av materialene samt utskrifts metodene diskuteres. Det antas at denne protokollen kan tjene som en bro mellom tidligere anvendt Biomaterials og GelMA samt bidra til etablering av GelMA-baserte 3D-arkitekturer for biomedisinsk applikasjoner.
Introduction
Hydrogeler er antatt å være et egnet materiale innen biofabrication1,2,3,4. Blant dem har gelatin methacryloyl (GelMA) blitt en av de mest allsidige Biomaterials, opprinnelig foreslått i 2000 av van den Bulcke et al.5. GelMA er syntetisert ved direkte reaksjon av gelatin med methacrylic yre (MA). Gelatin, som er hydrolysert av pattedyret kollagen, består av mål motiver av matrise metalloproteinase (MMP). Således, in vitro tredimensjonale (3D) vev modeller etablert av GelMA kan ideelt etterligne samspillet mellom celler og ekstracellulære matrise (ECM) in vivo. Videre, arginin-Glycine-aspartic acid (RGD) sekvenser, som er fraværende i enkelte andre hydrogeler som alginater, forblir på molekylære kjeder av GelMA. Dette gjør det mulig å realisere vedlegget av innkapslet celler inne i hydrogel nettverk6. I tillegg er dannelsen evne til GelMA lovende. De methacrylamide gruppene på GelMA molekylære kjeder reagerer med photoinitiator under milde reaksjonsforhold og danner kovalente obligasjoner ved eksponering for lys bestråling. Derfor kan de trykte strukturene raskt krysskoblet for å opprettholde de utformede figurene på en enkel måte.
Basert på disse egenskapene, en rekke felt bruke GelMA å utføre ulike programmer, for eksempel vev engineering, grunnleggende cytologi analyse, narkotika screening, og biosensing. Følgelig har ulike fabrikasjon strategier er også demonstrert7,8,9,10,11,12,13,14. Imidlertid er det fortsatt utfordrende å gjennomføre 3D bioprinting basert på GelMA, som er på grunn av sine fundamentale egenskaper. GelMA er et temperatur følsomt materiale. Under trykkeprosessen, må temperaturen i utskrifts atmosfæren være strengt kontrollert for å opprettholde den fysiske tilstanden til bioink. Dessuten er viskositet av GelMA generelt lavere enn andre vanlige hydrogeler (dvs. alginat, Chitosan, hyaluronsyre, etc.). Imidlertid er andre hindringer overfor når du bygger 3D arkitekturer med dette materialet15.
Denne artikkelen oppsummerer flere tilnærminger for 3D-bioprinting av GelMA foreslått av laboratoriet vårt og beskriver den trykte prøvene (dvs. syntesen av GelMA mikrosfærer, GelMA fibre, GelMA komplekse strukturer, og GelMA-baserte mikrovæskebasert chips). Hver metode har spesialiserte funksjoner og kan vedtas i ulike situasjoner med ulike krav. GelMA-mikrosfærer genereres av en electroassisted-modul, som danner ekstra ekstern elektrisk kraft for å krympe dråpestørrelsen. I form av GelMA fibre, de er ekstrudert av en koaksial bioprinting munnstykke ved hjelp av tyktflytende natrium alginat. I tillegg oppnås etablering av komplekse 3D-strukturer med en bioprinter for digital lys behandling (DLP). Endelig er en to ganger Cross Linking strategi foreslått å bygge GelMA-baserte mikrovæskebasert chips, som kombinerer GelMA hydrogel og tradisjonelle mikrovæskebasert chips. Det antas at denne protokollen er en betydelig oppsummering av GelMA bioprinting strategiene som brukes i laboratoriet vårt, og kan inspirere andre forskere i relative felt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikkelen beskriver flere strategier for å dikte GelMA 3D strukturer, nemlig GelMA mikrosfærer, GelMA fibre, GelMA komplekse strukturer, og GelMA-baserte mikrovæskebasert chips. GelMA har lovende biokompatibilitet og formasjon evne og er mye brukt på området biofabrication. Mikrosfære strukturer er egnet for kontrollerte stoffet utgivelse, vev dyrking, og injeksjon i organismer for videre terapi21,22,23,<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble sponset av det nasjonale nøkkel forsknings-og utviklingsprogrammet i Kina (2018YFA0703000), National Nature Science Foundation of China (no. U1609207, 81827804), vitenskaps fondet for Creative Research Groups of the National Natural Science Grunnleggelsen av Kina (nr. 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).
