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本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 代表性结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

本文介绍了如何 3D 生物打印光可调水凝胶来研究细胞外基质硬化和成纤维细胞活化。

摘要

光可调水凝胶可以响应光照在空间和时间上发生转变。将这些类型的生物材料纳入细胞培养平台并动态触发变化,例如增加微环境硬度,使研究人员能够模拟纤维化疾病进展过程中发生的细胞外基质 (ECM) 变化。本文提出了一种用于3D生物打印能够在明胶支持浴内进行两次连续聚合反应的光电可调水凝胶生物材料的方法。通过调节支持浴的pH值来适应悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入(FRESH)生物打印技术,以促进Michael加成反应。首先,将含有聚乙二醇-α-甲基丙烯酸酯(PEGαMA)的生物墨水与细胞可降解交联剂进行化学计量反应,形成软水凝胶。这些软水凝胶随后暴露在光引发剂和光下,以诱导未反应基团的均聚化并使水凝胶变硬。该协议涵盖水凝胶合成、3D 生物打印、光强化和终点表征,以评估 3D 结构内的成纤维细胞活化。这里介绍的方法使研究人员能够3D生物打印各种经历pH催化聚合反应的材料,并可用于设计组织稳态,疾病和修复的各种模型。

引言

3D生物打印是一项变革性技术,使研究人员能够精确地将细胞和生物材料沉积在3D体积内,并重建生物组织的复杂分层结构。在过去的十年中,3D生物打印的进步已经创造了跳动的人类心脏组织1,肾脏组织的功能模型2,肺内气体交换模型3,以及用于癌症研究的肿瘤模型4。嵌入式 3D 生物打印技术的发明,例如悬浮水凝胶的自由形式可逆嵌入 (FRESH) 生物打印,使得在 3D 中再现复杂的软组织结构(如肺血管5 甚至人类心脏6 )成为可能。 FRESH 3D 生物打印有助于通过挤出到剪切稀化支撑槽中逐层打印柔软和低粘度的生物墨水。支撑浴由紧密堆积的明胶微粒等材料组成,该微粒充当宾厄姆塑料,并在打印后保持生物墨水的预期形状和结构。一旦打印的结构凝固,就可以通过将温度升高到37°C来溶解支撑浴7

最近的一篇评论文章总结了使用FRESH技术在各种出版物中进行3D生物打印的材料。这些天然来源的材料范围从 I 型胶原蛋白到甲基丙烯酸化透明质酸,代表了几种不同的凝胶机制7。使用这种3D生物打印技术进行的大多数研究都采用静态生物材....

研究方案

1. PEGαMA的合成与表征

注:聚乙二醇-α-甲基丙烯酸酯(PEGαMA)的合成改编自Hewawasam 等人, 并在无水分条件下进行9

  1. 称量反应物。
    注:例如,称取 5 g 10 kg/mol 8 臂 PEG-羟基 (PEG-OH) 和 0.38 g 氢化钠 (NaH)(参见 材料表)。
  2. 向 250 mL 舒伦克烧瓶中加入搅拌棒,并用氩气吹扫。
  3. 将PEG-OH溶解在舒伦克烧瓶中溶解所需的最低体积的无水四氢呋喃(THF)中。
    注意:大约 80 mL 的 THF 将溶解 5 g PEG-OH。加入溶解 PEG-OH 所需的最少量 THF。
  4. 向反应混合物中加入3倍摩尔过量的NaH,并在室温(RT)下搅拌30分钟。
  5. 将摩尔过量的 2-(溴甲基)丙烯酸乙酯(EBrMA,见 材料表)滴加到 Schlenk 烧瓶中,并用铝箔覆盖反应容器以保护其避光。在室温下搅拌反应约48小时。
    注:对于 5 g PEG-OH 和 0.38 g NaH,使用 3.68 mL EBrMA 进行该反应。
  6. 加入几滴 1 N 乙酸以淬灭反应。通过助滤剂对溶液进行真空过滤。
    注意:添加醋酸会产生气泡。当....

代表性结果

该协议描述了如何在支撑浴中3D生物打印光可调水凝胶,以创建能够动态和时间加固的结构,以研究模拟人体组织的几何形状中的成纤维细胞活化。首先,该协议解释了如何合成PEGαMA,这是该光电互导聚合物系统的骨架。核磁共振(NMR)波谱测量显示PEGαMA功能化成功率为96.5%(图1)。对于此程序,90%或更高的功能化值是可以接受的。接下来,详细介绍了如何创建空心圆柱体.......

讨论

响应受控光照的双阶段聚合反应可以通过空间和时间控制使生物材料变硬。一些研究利用这种技术来评估各种平台中的细胞-基质相互作用 5,8,9,10,11,21,22,23。更具体地说,光掩模或双光子激发方法?.......

披露声明

作者没有任何利益冲突需要披露。本手稿部分经IOP Publishing https://doi.org/10.1088/1758-5090/aca8cf 许可©转载。5 保留所有权利。

致谢

作者要感谢 Adam Feinberg 博士(卡内基梅隆大学)和主持 3D 生物打印开源研讨会的人员。这些人使学习FRESH生物打印技术成为可能,并构建了用于这些研究的3D生物打印机。此外,作者要感谢 Biorender.com,它被用来制作本手稿中的数字。这项工作得到了多个团体或资金来源的支持,包括罗斯社区基金会(DDH 和 CMM)、科罗拉多州肺血管疾病研究奖(DDH 和 CMM)、1941401 奖下的国家科学基金会 (CMM)、W81XWH-20-1-0037 (CMM) 下陆军部、美国国立卫生研究院国家癌症研究所 R21 CA252172 奖 (CMM)、 科罗拉多大学安舒茨医学院的卢德曼家庭女性健康研究中心(DDH 和 CMM)、美国国立卫生研究院国家心肺血液研究所获得 R01 HL080396 (CMM)、R01 HL153096 (CMM)、F31 HL151122 (DDH) 和 T32 HL072738(DDH 和 AT)奖项。

....

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
AccuMax Radiometer/Photometer KitSpectronics CorporationXPR-3000To measure light intensity, used for photostiffening
Acetic Acid Fisher ScientificBP2401-500Used during PEGaMA synthesis
AcetoneFisher ScientificA184Used with the cryosections
ActinGreen 488 ReadyProbesFisher ScientificR37110Used for staining
Aluminum FoilReynoldsF28028
Anhydrous Tetrahydrofuran (THF)Sigma-Aldrich401757-1LUsed during PEGaMA synthesis
Argon Compressed GasAirgasAR R300Used during PEGaMA synthesis
8 Arm Poly(ethylene glycol)-hydroxyl (PEG-OH)JenKem Technology8ARM-PEG-10KUsed during PEGaMA synthesis
365 nm Bandpass FilterEdmund Optics65-191Used for photostiffening
Bovine Serum Albumin (BSA)Fisher ScientificBP9700-100Used during staining process
Buchner FunnelQuark GlassQFN-8-14Used during PEGaMA synthesis
Calcein AMInvitrogen65-0853-39Used during staining process
Celite 545 (Filtration Aid)EMD MilliporeCX0574-1Used during PEGaMA synthesis
Charged Microscope SlidesGlobe Scientific1358W
Chloroform-dSigma-Aldrich151823-10X0.75MLUsed to characterize PEGaMA
Click-iT Plus EdU Cell Proliferation KitInvitrogenC10637Used for staining
50 mL Conical TubesCELLTREAT667050B
Cryogenic Safety KitCole-ParmerEW-25000-85
CryostatLeicaCM 1850-3-1
Dialysis TubingRepligen132105
4’,6-Diamidino-2-Phylindole (DAPI)Sigma-AldrichD9542-1MGUsed for staining
Diethyl EtherFisher ScientificE1384Used during PEGaMA synthesis
1,4-Dithiothreitol (DTT) Sigma-Aldrich10197777001Bioink component
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)CytivaSH30271.FS
Ethyl 2-(Bromomethyl)Acrylate (EBrMA)Ambeed Inc.A918087-25gUsed during PEGaMA synthesis
Filter PaperWhatman1001-090Used during PEGaMA synthesis
Freezone 2.5L Freeze Dry SystemLabconcoLA-2.5LRLyophilizer
Fusion 360AutodeskN/ASoftware download
2.5 mL Gastight SyringeHamilton81420Used for bioprinting
15 Gauge 1.5" IT Series TipJensen GlobalJG15-1.5XUsed for bioprinting
30 Gauge 0.5" HP Series TipJensen GlobalJG30-0.5HPXUsed for bioprinting
Goat Anti-Mouse Alexa Fluor 555 AntibodyFisher ScientificA21422Used for staining
GlycineFisher ScientificC2H5NO2Used during staining process
HemocytometerFisher Scientific1461
HoechstThermo Scientific62249Used during staining process
Human Pulmonary Artery Adventitial Fibroblasts (HPAAFs)AcceGenABC-TC3773 From a 2-year-old male patient
Hydrochloric Acid (HCl)Fisher ScientificA144-500Used to pH adjust solutions
ImageJNational Institutes of Health (NIH)N/AFree software download
ImmEdge® PenVector LaboratoriesH-4000Used during staining process
IncubatorVWRVWR51014991
LifeSupport Gelatin Microparticle Slurry (Gelatin Slurry)Advanced Biomatrix5244-10GMUsed for bioprinting
Light MicroscopeOlympusCKX53Inverted light microscope
Lithium Phenyl-2,4,6-Trimethylbenzoylphosphinate (LAP)Sigma-Aldrich900889-5GPhotoinitiator used for photostiffening
Liquid NitrogenN/AN/A
LulzBot Mini 2 LulzBotN/ABioprinter adapted
Methacryloxyethyl Thiocarbamoyl Rhodamine B Polysciences Inc.669775-30-8
2-MethylbutaneSigma-AldrichM32631-4L
Microman Capillary Pistons CP1000VWR76178-166Positive displacement pipette tips
MMP2 Degradable Crosslinker (KCGGPQGIWGQGCK)GL BiochemN/ABioink component
Mouse Anti-Human αSMA Monoclonal AntibodyFisher ScientificMA5-11547Used for staining
OmniCure Series 2000 Lumen DynamicsS2000-XLAUV light source used for photostiffening
Paraformaldehyde (PFA) Electron Microscopy Sciences15710Used to fix samples
pH MeterMettler Toledo FP20 
pH StripsCytiva10362010
Phosphate Buffered Saline (PBS)Hyclone Laboratories, Inc.Cytiva SH30256.FS
Pipette SetFisher Scientific14-388-100
10 µL Pipette TipsUSA Scientific1120-3710
20 µL Pipette TipsUSA Scientific1183-1510
200 µL Pipette TipsUSA Scientific1111-0700
1000 µL Pipette TipsUSA Scientific1111-2721
Poly(Ethylene Glycol)-Alpha Methacrylate (PEGαMA)N/AN/ARefer to manuscript for synthesis steps
Poly(Ethylene Oxide) (PEO)Sigma-Aldrich372773-250GBioink component
Positive Displacement PipetteFisher ScientificFD10004G100-1000 µL
Potassium Hydroxide (KOH)Sigma-Aldrich221473-500GUsed to pH adjust solutions
ProLong Gold Antifade ReagentInvitrogenP36930Used during staining process
PronterfaceAll3DPN/ASoftware download
Propidium IodideSigma-AldrichP4864-10MLUsed for staining
RGD Peptide (CGRGDS)GL BiochemN/ABioink component
RockerVWR10127-876
Rotary Evaporator Thomas Scientific11100V2022Used during PEGaMA synthesis
Rubber BandStaples808659
Schlenk Flask Kemtech AmericaF902450Used during PEGaMA synthesis
Slic3rSlic3rN/ASoftware download
Smooth Muscle Cell Growth Medium-2 (SmGM-2) BulletKitLonzaCC-3182Kit contains CC-3181 and CC-4149 components
Sodium Hydride Sigma-Aldrich223441-50GUsed during PEGaMA synthesis
Sorvall ST 40R CentrifugeFisher Scientific75-004-525
Stir BarVWR58948-091
Syringe FilterVWR28145-483Used to sterile filter solutions
T-75 Tissue-Cultured Treated FlaskVWR82050-856Used for cell culture work
Tissue-Tek CyromoldSakura4557
Tissue-Tek O.C.T Compound (OCT)Sakura4583
Tris(2-Carboxyethyl) Phosphine (TCEP)Sigma-AldrichC4706-2G
Triton X-100Fisher BioreagentsC34H622O11Used during staining process
Trypan BlueSigma-AldrichT8154-20MLUsed for cell culture work
0.05% Trypsin-EDTAGibco25-300-062Used for cell culture work
Tween 20Fisher BioreagentsC58H114O26Used during staining process
Upright MicroscopeOlympusBX63FFluorescent microscope capabilities
Water BathPolyScienceWBE20A11B
24-Well Tissue Culture PlatesCorning3527

参考文献

  1. Ahrens, J. H., et al. Programming cellular alignment in engineered cardiac tissue via bioprinting anisotropic organ building blocks. Advanced Materials. 34 (26), e2200217 (2022).
  2. Lin, N. Y. C., et al.

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