Yöntem makalesi

Mikrojeller ve Granül Jeller: Enjekte Edilebilir İskeleler ve Biyomürekkeplerden 3D Baskı Desteklerine

580 görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/64998

⸱

14 Temmuz 2023

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

Bu makalede

Özet

TARTIŞILAN MAKALELER:

  1. Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. Biyomedikal uygulamalar için toplu hidrojellerin parçalanması ve granül hidrojellere işlenmesi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (183), E63867 (2022).
  2. Stager, M. A., Erickson, C. B., Payne, K. A., Krebs, M. D. Doku mühendisliği uygulamaları için boyut kontrollü ve emülsiyon içermeyen kitosan-genipin mikrojellerinin imalatı. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (182), E63857 (2022).
  3. Anderson, AR, Segura, T. 3D hücre kültürü için mikro gözenekli tavlanmış parçacık iskelelerinde parçacık fraksiyonunun kontrol edilmesi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (188), E64554 (2022).
  4. Roosa, C. ve ark. Mikro gözenekli tavlanmış parçacık iskelesi için mikrojel yapı taşlarının mikroakışkan sentezi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (184), E64119 (2022).
  5. Rommel, D., Vedaraman, S., Mork, M., De Laporte, L. Mikrojel çubuklardan birbirine bağlı makro gözenekli 3D iskeleler. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (184), E64010 (2022).
  6. Luo, S. -C., Wang, Y., Kankala, R. K., Zhang, YS, Chen, A. -Z. Mikroakışkan teknolojisi ile yüksek derecede açık gözenekli mikro küreler (HOPM'ler) üretme. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (183), E63971 (2022).
  7. Machour, M., Szklanny, A. A., Levenberg, S. 3D baskı teknolojileri kullanılarak tasarlanmış vasküler fleplerin imalatı. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (183), E63920 (2022).
  8. Jalandhra, G., Romanazzo, S., Nemec, S., Roohani, I., Kilian, K. A. Kemik analoglarının üretilmesi için hücre yüklü süspansiyonlarda seramik çok yönlü biyobaskı. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (186), E63943 (2022).
  9. Kajtez, J., Radeke, C., Lind, J. U., Emneus, J. İnsan nöral yapılarının gömülü 3D baskısı için mikrojel hücre dışı matris kompozit desteği. Görsel Deneyler Dergisi. (195) E65158 (2023).
  10. Senior, J. J. et al. Askıya alınmış 3D biyo-baskı için jelleşme sırasında kesme işlemiyle oluşturulan agaroz sıvı jelleri. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (195), E64458 (2022).
  11. Ataie, Z., Jaberi, A., Kheirabadi, S., Risbud, A., Sheikhi, A. Jelatin metakriloyl granül hidrojel iskeleleri: yüksek verimli mikrojel üretimi, liyofilizasyon, kimyasal montaj ve 3D biyobaskı. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (190), E64829 (2022).

Editöryal

Mikrojel teknolojisi, rejeneratif tıp ve doku mühendisliği uygulamaları için güçlü ve çok yönlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır1. Tıpkı toplu muadilleri gibi, mikrojeller de yüksek su içeriği, ayarlanabilir fizikokimyasal özellikler ve doğal hücre dışı ortamın taklidi ile karakterize edilir. Üretim tekniklerindeki ilerlemeler sayesinde, mikrojeller bir dizi doğal ve sentetik polimerden farklı şekil ve boyutlarda üretilebilir. Ayrıca hücrelerin ve terapötiklerin kontrollü kapsüllenmesi için de kullanılabilirler. Mikrojellerin geleneksel toplu hidrojellere kıyasla ana avantajlarından biri, kolayca enjekte edilebilir olmaları ve böylece doku onarımı için hücresel kargo, ilaç veya biyolojik iskelenin minimal invaziv olarak verilmesine izin vermesidir. Ayrıca, modüler mikrojel sistemleri, farklı özelliklere sahip mikrojel popülasyonlarının karıştırılmasıyla kolayca elde edilebilirken, mikrojellerin geleneksel hidrojellere gömülmesi, yumuşak madde kompozitlerine doğru bir yol sağlar. Birçok mikrojel sıkışmış bir duruma getirildiğinde, gömülü üç boyutlu (3D) baskı için bir destek banyosu veya 3D baskı mürekkepleri olarak kullanılabilen, dinamik makro ölçekli özelliklere sahip dökme malzemeler olan granüler jellere yol açarlar. Bu makale koleksiyonu, mikrojel formülasyonu ve üretimi için çok çeşitli yöntemlerin yanı sıra bunların potansiyel biyomedikal uygulamalar için kullanımını araştırmaktadır.

Büyük miktarlarda mikrojel üretimi için uygun maliyetli, emülsiyonsuz ve teknolojik olarak iddiasız yaklaşımlara çok ihtiyaç vardır. Bunu ele almak için Muir ve ark. ekstrüzyon parçalanması2 yoluyla norbornen ile modifiye edilmiş hyaluronik asit (HA) mikrojellerinin üretimi için zarif bir protokol gösterdi. Foto-çapraz bağlı toplu hidrojeller, sırayla daha küçük çaplara sahip bir dizi iğneden ekstrüde edildi. Ortaya çıkan parçalanmış mikrojel parçacıkları daha sonra, ekstrüzyon bazlı 3D baskı için mürekkep olarak kullanılabilen, sıkı bir şekilde paketlenmiş granüler bir hidrojel oluşturmak üzere vakumla çalıştırılan filtrelemeyle sıkıştırıldı. Stager ve ark. kontrollü boyut3'e sahip mikrojel parçacıkları oluşturmak için çapraz bağlı bir kitosan hidrojelinin bir ağ filtreden ekstrüde edildiği başka bir parçalanma yaklaşımı sundu. Parçalanmış hidrojellerin daha sonra bir büyüme plakası yaralanması sıçan modelinde kullanıldığında kıkırdak dokusu rejenerasyonunu desteklediği gösterildi.

Sıkışmış mikrojel parçacıklarının birbirine bağlanması, tavlanmış granüler hidrojellerin ve benzersiz mikro mimarilere sahip gözenekli dökme yapı iskelelerinin ortaya çıkmasına neden olur. Anderson ve ark. daha sonra polimer ağına zarar vermeden dondurularak kurutulan mikroakışkan bazlı fotoçapraz bağlanabilir HA mikrojel üretimi için bir protokol sağladı4. Liyofilize mikrojellerin kontrollü rehidrasyonu ve ardından bir biortogonal çapraz bağlama şeması yoluyla birbirine bağlanması, yazarlar tarafından hücre infiltrasyonunu ve göçünü önemli ölçüde etkilediği gösterilen, kontrollü partikül fraksiyonuna sahip gözenekli HA iskelelerinin oluşumuna yol açar. Roosa ve ark. büyük hacimlerde polietilen glikol (PEG) mikrojellerinin yüksek verimli mikroakışkan sentezi için bir yöntem tanımlamıştır5. Yazarlar daha sonra mikro gözenekli bir iskele oluşturmak için ikincil bir çapraz bağlama mekanizmasına dayalı mikrojel saflaştırma, temel mikropartikül karakterizasyonu ve partikül tavlama yaklaşımlarını göstermektedir. Rommel ve ark. anizotropik mikrojelpartikülleri 6 kullanarak artan gözenekliliğe sahip tavlanmış iskeleler oluşturmak için bir yaklaşım sergiledi. Kontrol edilebilir en boy oranlarına sahip yıldız-PEG polimerlerinden mikrojel çubuklar oluşturmak için akış odaklı mikroakışkanlardan yararlandılar. Tavlanmış mikrojel çubuk iskeleler, hücre deneyleri için 3 boyutlu bir ortam olarak kullanılabilir. Luo et al. hücrelerin veya biyolojiklerin verilmesi için kullanılabilecek basit bir mikroakışkan yaklaşımla oldukça açık gözenekli mikrokürelerin üretilmesi için bir yöntem gösterdi7.

Granül jellerin benzersiz reolojik özellikleri, onları yumuşak hidrojellerin ve hücrelerin gömülü 3D baskısı için ideal destekler haline getirir8. Machour ve ark. tasarlanmış doku kanatları oluşturmak için jelatin granüler jellerin içine gömülü 3D baskı yaklaşımını kurban kalıp bazlı 3D baskı ile birleştirdi9. Bu hibrit yöntem, endotel hücreleriyle karıştırılmış kollajen bazlı mürekkepten hiyerarşik bir vasküler ağ oluşturmak için kullanıldı. Tasarlanmış flep daha sonra doğrudan bir sıçan femoral arterine implante edildi. Jalandhra ve ark. jelatin metakrilat (GelMA) mikrojellerinden yapılmış hücre yüklü granüler jel içine kalsiyum fosfat bazlı bir seramik mürekkebin gömülü 3D baskısı yoluyla kemiği taklit eden yapıların oluşturulması için bir yaklaşım gösterdi10. Granüler destek, tasarlanmış kemiği taklit eden yapıların etrafındaki hücre büyümesine destek sağlamak için baskı sonrası tavlandı. Kajtez ve ark. insan kök hücre tabanlı nöral doku yapıları oluşturmak için gömülü 3D baskıyı kullandı11. Aljinat mikrojelleri ve kollajen bazlı hücre dışı matris çözümünü birleştiren bir kompozit baskı destek malzemesi geliştirdiler. Kollajenin nazikçe çapraz bağlanması, nöral kök hücrelerin fonksiyonel nöronlara farklılaşması için uygun bir ortam sağlamak üzere baskı desteğini tavlar. Kıdemli et al. gömülü 3D baskı12 için agaroz bazlı bir destek banyosu oluşturmak için jelleşme yaklaşımı sırasında kesme işleminden yararlandı. Agarozun termal özellikleri, baskılı hücre yüklü hidrojel yapılarının destek banyosunu eritmeden kültürlenmesini mümkün kılar.

Sıkışmış mikrojel mürekkepler, düşük viskozitesi veya kontrol edilmesi zor çapraz bağlanma dinamikleri nedeniyle basılması zor olan muhtemelen herhangi bir hidrojelin kontrol edilebilir 3D baskısı için bir yol sunar13. Mikrojel mürekkepler olarak hidrojeller, geleneksel katman katman veya süspansiyon banyosunda basılabilir. Ayrıca granüler biyomürekkepler oluşturmak için hücreleri barındırabilirler. Bu nedenle granüler biyomürekkepler, hücrelere zararlı katkı maddeleri veya çapraz bağlanma koşulları gerektirebilecek geleneksel yöntemlerle uyumlu olmayan malzemelerin biyobaskısı için bir çözüm sağlar. Zaman ve ark. GelMA hidrojellerini tersinir arayüzey nanopartikül kendi kendine montajı14 ile programlayarak bu mürekkeplerin basılabilirliğini daha da artıran bir yöntem sağlar. Değişen parçacıklar arası etkileşimler nedeniyle, elde edilen nanomühendislik ürünü granüler biyomürekkepler, baskı işlemi boyunca iyi korunmuş, artırılmış mikro gözenekliliğe sahip granüler biyomürekkeplerin formülasyonuna izin veren daha düşük paketleme yoğunluğunda basılabilir. Ayrıca yazarlar, yüksek verimli mikroakışkan hidrojel mikropartikül üretimi, mikro-aerojellere dönüştürme ve transglutaminaz kullanılarak granüler mürekkep tavlaması için bir metodoloji tanımlamaktadır.

Özetle, bu makale koleksiyonu, mikrojel teknolojisinin çok çeşitli uygulamaları için ayrıntılı pratik rehberlik sağlar. Koleksiyon sadece farklı hidrojel malzemelerinin ve çapraz bağlama mekanizmalarının kullanımını açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda hidrojel mikropartikül üretimi için çeşitli üretim teknikleri de sunuyor. En önemlisi, koleksiyon, mikrojel ve granüler jel teknolojilerinin son derece umut verici uygulamaları olan 3D baskı ve rejeneratif tıp için hidrojel mikropartiküllerinin nasıl kullanılacağı hakkında faydalı bilgiler sağlar.

Açıklamalar

Yazarın açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

Yazarın hiçbir onayı yok.

Kaynaklar

  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).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler