以自动化和标准化方式制造基于水凝胶的3D培养模型的开源技术平台

生物医学研究正面临可重复性危机，因为新的研究成果很少转化为治疗应用。该协议减少了人为因素，并将自动化和标准化引入制造中。该方法特别关注用于3D细胞培养应用的照片交联水凝胶，因为在过去十年中，水凝胶已成为癌症和其他疾病组织模型中最常用的平台。

我们通过开发开源技术平台，成功地解决了当前的硬件和软件限制。该平台专为水凝胶而设计，可实现组织工程研究的自动化制造工作流程。要安装 API，请打开命令行界面。

要安装工作 API，请输入 pip install openworkstation，然后按 Enter。要操作移液生物制造模块，请输入命令以安装opentrons API。然后使用命令行打开 Python 脚本，并验证两个 API 是否已成功安装。

要生成协议代码，请打开协议设计应用程序以生成将由平台执行的自定义协议脚本。该界面可在每个常用的互联网浏览器上运行。在设置页面上输入协议名称，然后单击继续。

在输入托盘设置中，选择三乘四加热块以定义输入托盘。要定义材料和储液浓度，请从定义输入菜单中选择凝胶 1，然后输入 GelMA 作为名称。将库存浓度设置为 20%，将样品数设置为 3，然后单击"添加"以保存条目并填充第一列。

从定义输入菜单中选择凝胶2，然后输入海藻酸盐作为名称。将库存浓度设置为 4%，将样品数设置为 3，然后单击"添加"保存条目并填充第二列。如图所示设置光引发剂和稀释剂参数后，选择光交联，将时间设置为30秒，强度设置为2，然后单击确定。接下来，将孔板类型设置为96孔板，然后单击组1以允许指定用于创建双网络水凝胶的参数。

然后，如有必要，请选中"应用高级混合协议"框，将样本数设置为 96，然后单击"继续"。要设置甲板布局，请为每个插槽选择适当的托盘类型。选择所有托盘类型后，单击移液器左侧框，然后从下拉菜单中选择 10 至 100 微升正位移。

将吸气速度设置为 600，将分配速度设置为 800。然后以相同的方式设置移液器的正确参数。然后单击"生成协议"以生成并保存协议脚本。

在执行实验方案之前，用70%乙醇喷洒耗材，并根据用户设置中定义的设置放置它们。根据所选设置，将带有铝块中材料的反应管放置在温度底座上。接下来，用70%乙醇喷洒手套，小心打开反应管，不要碰到打开的管子。

当物质达到适当的实验温度时，使用用户界面运行生成的实验方案。工作站将从归位过程开始，然后从存储模块获取空孔板。从孔板上取下盖子后，板被输送到下一个模块。

该协议指定了从每种储备溶液中移出的体积，并自动更换每种材料后的吸头，以防止交叉污染。为了以可重复的方式混合粘性溶液，工作站执行针对粘性水凝胶进行了优化的特定混合方案。协议设计应用程序考虑了储液槽的填充水平，并自动调整混合高度，以防止不必要的浸入粘性材料中。

自动生成3D模型和孔板后，工作站再次用盖子关闭孔板，并将孔板存储在存储模块中的编程位置。协议完成后，从存储模块中取出板。为了验证和确认所传导的协议，将板加载到分光光度计上，并在450纳米处读取吸光度两次。

保存吸光度值后，打开出版物中作为补充材料提供的分析电子表格文件，并将吸光度读数复制到原始数据表的表中。然后单击分析表以查看平均值，标准差和方差系数值，这些值会自动计算并显示为96孔板的特定行和特定柱的均匀样品分布。为了找到确保甘油溶液高再现性的设置，在没有温度控制和吸头接触的情况下，通过温度控制和不带吸头触摸，或通过温度控制和吸头触摸来生成实验方案。

三种设置的计算变化系数值揭示了温度底座和尖端触摸功能的显着影响，突出了协议在使用这两个功能时产生高度可重复结果的能力。将吸头触摸功能与温度底座配合使用，在设置三中显著降低了标准偏差。在整个实验过程中，绘制设置三的样品吸光度值没有增加或减少值，因此表明样品位置对吸光度值没有影响。

接下来，通过稀释20%GelMA储备溶液并评估不同GelMA稀释液之间的差异来制备GelMA稀释系列。在每个浓度步骤中测量的吸光度值显着不同，线性回归显示出高度拟合，证实了产生不同浓度步骤的能力。此外，还评估了具有5%GelMA，2%海藻酸盐和0.15%LAP的双网络水凝胶的尖端触摸的影响，这些水凝胶是随设置自动生成的。

尖端触摸的集成导致支持生成可重现数据集的标准偏差显着降低。吸光度值和热图的可视化证实了使用吸头触摸去除吸头中多余材料时偏差的减少。我们的技术可实现3D细胞培养和组织工程水凝胶制造的自动化。

这是一种低成本解决方案，可提高技术上具有挑战性的工作流程的吞吐量和可重复性。通过提供可定制的开源方法，该技术为组织工程研究中过程自动化的广泛适应铺平了道路。