Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Method Article
En este protocolo, se demuestra la fabricación de una amplia microactuator de mensajes desplazadas verticalmente en que se basa la tecnología, y cómo esta tecnología de base pueden ser modificados para llevar a cabo de alto rendimiento de cultivo de células mecánica dinámica, tanto en la cultura de dos dimensiones y tres dimensiones paradigmas.
La capacidad de controlar sistemáticamente en respuesta celular in vitro a combinaciones de estímulos mechanobiological para ingeniería de tejidos, el descubrimiento de fármacos o fundamentales los estudios de biología celular está limitado por las tecnologías de biorreactores actual, que no puede, simultáneamente, aplicar una variedad de estímulos mecánicos a las células cultivadas. Con el fin de abordar esta cuestión, hemos desarrollado una serie de plataformas microfabricated diseñado para detectar los efectos de los estímulos mecánicos en un formato de alto rendimiento. En este protocolo, se demuestra la fabricación de una amplia microactuator de mensajes desplazadas verticalmente en que se basa la tecnología y, además, demostrar cómo esta tecnología de base pueden ser modificados para llevar a cabo de alto rendimiento de cultivo de células mecánica dinámica, tanto en dos dimensiones y tres paradigmas de la cultura dimensional.
A. Descripción de dispositivo y la operación
Dispositivos se fabrican utilizando la litografía blanda multicapa en un polidimetilsiloxano (PDMS), y son capaces de generar al mismo tiempo una serie de condiciones mecánicas en los distintos lugares de cultivo de células a través de la matriz microfabricated. En este protocolo, los pasos para fabricar una amplia gama de neumático accionado por microposts se describió por primera vez, seguido de pasos para modificar el dispositivo para hacer posible la cultura mecánica dinámica, tanto en la cultura paradigmas de dos dimensiones (2D) y tridimensional (3D). El enfoque esbozado microfabricated aumenta el rendimiento en los sistemas de macro-escala, y es el más adecuado para la detección de los efectos de una variedad de condiciones mecánicas.
El principio de funcionamiento del dispositivo se basa en una serie de microposts vertical accionada. Microposts se fabrican en un diafragma de suspensión libre, y suben y bajan por la aplicación de presiones positivas y negativas por debajo del diafragma de accionamiento (Figura 1). Una característica clave de la matriz es que variando el tamaño de la membrana de actuación, una fuente de presión solo se puede utilizar para obtener una serie de desplazamientos verticales a través de la matriz. Este principio se utiliza para detectar rápidamente la respuesta celular a un gran número de condiciones de estimulación mecánica a través de un único dispositivo.
Basado en un diseño similar a macroescala por Schaffer et al. 2, nuestro diseño incluye una segunda película de suspenso y lubricar el cultivo de células en el cargo, permitiendo que las células de experimentar una deformación del sustrato en 2D como se desliza la cultura cinematográfica en el puesto de carga elevada. Por otra parte, photopatterning una serie de células cargadas de hidrogeles sobre los postes de carga permite la compresión para la estimulación de células en cultivo en 3D. Las instrucciones detalladas en el establecimiento de estos sistemas de seguimiento.
B. La fabricación de la matriz microactuator neumáticos
Fabricación de la matriz microactuator neumático requiere la alineación estricta de las estructuras multicapa de PDMS. Este es un reto, debido a la contracción inducida por los errores de alineación de registro. Para solucionar esto, usamos un proceso de fabricación llamado "fabricación de moldes sandwich '3, que se muestra a eliminar de manera efectiva el tema 4.
Preparación de los materiales
Sandwich fabricación de moldes
La construcción del dispositivo multicapa
t "> El esquema para la fabricación de la matriz microactuator se presenta en la Figura 2A, y el funcionamiento de los actuadores se muestra en las figuras 2B y C. Para fabricar el dispositivo:Conectores
C. mecánicamente activa substratos de cultivo 2D
El conjunto de microposts accionada se puede utilizar para crear varios perfiles de tensión en una suspensión película de polímero, en el que las células son cultivadas. Elevar el poste en una película de lubricación hace que la película se deslice y se deforman alrededor del poste. El uso de un resultado de carga circular después de una distribución de tensiones equibiaxial, pero elel diseño es muy versátil en formas que después se pueden utilizar diferentes para crear una variedad de campos de deformación. Para modificar la matriz del actuador para los experimentos de la cultura en 2D (esquema de la Figura 3):
Caracterización detallada de la operación microdispositivo y experimentos biológicos realizados en esta plataforma han sido publicados en otros lugares 7.
D. mecánicamente activas 3D hidrogeles
Modificaciones en el dispositivo también se puede utilizar para habilitar la compresión de photopatterned. celular con carga, en tres dimensiones hidrogeles en forma de alto rendimiento. En este ejemplo, creamos 350 micras de diámetro de polietileno glicol (PEG) cilindros de hidrogel, encapsulando C3H10T1 / 2 células madre mesenquimales del ratón, y se aplican tensiones de compresión que van desde 5 a 25% a través de la matriz. Este protocolo se puede utilizar con más química avanzada de hidrogel de fotopolimerización. Para utilizar la plataforma para realizar experimentos en tres dimensiones mecanobiología (esquema de la Figura 4):
Modificaciones del dispositivo:
Polimerización in situ:
Células cargadas de hidrogeles de PEG eran entonces photolithographically patrón en el 8,9 dispositivos de la siguiente manera:
Caracterización detallada de la operación microdispositivo y experimentos biológicos realizados en esta plataforma han sido publicados en otros lugares 10.
E. equipo periférico
Modificado placas de Petri se utilizan para mantener la esterilidad de los cultivos celulares durante el accionamiento de los dispositivos. Una aguja roma y despojado 18G es pegado con resina en un agujero perforado en el lado de la placa de Petri. Tubos (Clay Adams Intramedic PE190, VWR International, Arlington Heights, IL, EE.UU.), está montado a presión a estos conectores y se conecta a las válvulas de solenoide y fuente de presión.
Las presiones para que los dispositivos son proporcionados por microbombas externo. Para los experimentos de 2D, los valores de presión positiva de 30 a 55 kPa se generaron utilizando una bomba de diafragma controlado por tensión excéntrica (SP 500 EC-LC 4.5VDC; Schwarzer Precision, Alemania). Un controlador de modulación por ancho de pulso de tensión basado se utiliza para variar la tensión aplicada al control de la presión de salida. Las válvulas de solenoide y colectores (S10MM-30-12-3 y un MSV10; Pneumadyne, Plymouth, MN, EE.UU.) se utilizan para crear una onda de presión cíclica. Las válvulas se accionan con una señal de 12 V, controlado por un generador de forma de onda de la función cuadrado.
F. caracterización de dispositivos y utilice
Imágenes en el dispositivo
Un problema común con las células de imagen o de partículas en el dispositivo es una pobre resolución óptica debida a la condensación de las gotas debajo de la película PDMS apoyar el mensaje de carga. Esta condensación se debe a las diferencias de temperatura y humedad dentro de la incubadora y después de la fijación o en una platina del microscopio. Para resolver este problema:
De imágenes de células vivas, este procedimiento se puede realizar antes de la siembra de las células en los dispositivos. Sin embargo, los canales deben diseñarse lo suficientemente grande como para evitar cualquier pérdida de presión viscosa entre las unidades en el dispositivo.
Caracterización de las cepas mediante el seguimiento de cuentas
En los sistemas de cultivo en 2D:
Un procedimiento similar puede seguirse para caracterizar las cepas en los sistemas de 3D. Mezcle una cantidad de perlas fluorescentes en el hydrogel solución precursora. En el caso del sistema de hidrogel de PEG, el tamaño de los poros son mucho menores que las de los 1 m de diámetro cuentas. Los granos son encapsulados en el hidrogel, y el sistema se pueden obtener imágenes con un microscopio confocal. Desplazamientos de bolas puede ser seguido, analizado y montado en un modelo de deformación.
G. Representante Resultados
Los resultados representativos para la fabricación del dispositivo, la caracterización y funcionamiento se proporcionan en las figuras 5 y 6.
Figura 1. Molde Sandwich proceso de fabricación. (A) una transparencia es cuidadosamente bajó a curar PDMS en un SU-8 maestro. (B) El sándwich se coloca en una pila de espuma, vidrio y metal, y se cura en un horno a la compresión. (C) La pila está desmontada y la transparencia desprendido, conservando el patrón PDMS capa 3. Reproducido con permiso del Instituto de Física.
Figura 2. Esquema de micropost vertical accionada a (A) de descanso y (B) cuando se acciona. (C) Esquema del proceso de fabricación de múltiples capas para crear una matriz de microposts 3. Adaptado con el permiso del Instituto de Física.
Figura 3. Proceso de modificar serie microactuator llevar a cabo experimentos de cultivos de células en una deformación de dos dimensiones sustrato 7. Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figura 4. Proceso de modificar serie microactuator llevar a cabo experimentos de cultivos de células en tres dimensiones de hidrogel photopatterned construye 10. Reproducido con permiso de Elsevier.
Figura 5. (A) dispositivo de muestra para cultivo mechanostimulatory 2D. Colorante rojo usado para marcar los canales de presión de accionamiento de entrega, y el tinte azul que se utiliza para marcar los canales de lubricación. (B) muestra la imagen de un experimento de la caracterización de cepas. Puntos rojos representan la ubicación no deformada de las cuentas, mientras que los puntos verdes representan los lugares deforme 7. Reproducido con permiso de la Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figura 6. (A) del dispositivo de muestra para experimentos en 3D a la compresión. Colorante verde para marcar los canales de accionamiento de presión. (B) de arriba a abajo de la matriz de micropost con (C) la construcción de un hidrogel con dibujos en la parte superior del poste. (D, E) lateral reconstruido imágenes de perlas fluorescentes en el hidrogel construir bajo (D) y el resto (E) 55 kPa presiones de actuación, lo que demuestra el proceso de caracterización de la cepa en un sistema de cultivo en 3D 10. Reproducido con permiso de Elsevier.
Aunque conceptualmente simple, la fabricación del dispositivo tiene una cierta habilidad y la práctica experimental. Particularmente en el caso del cultivo de células en 2D, la alineación de las múltiples capas en el dispositivo puede ser un reto, sobre todo en un conjunto de gran superficie. En términos prácticos, de manera fiable puede lograr una tasa de éxito del 100% de alineación uso de dispositivos con 50 micras de tolerancia en el espaciado entre elementos adyacentes en múltiples capas. También se ha d...
Reconocemos el apoyo financiero de las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá y los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CHRPJ 323533-06), el programa de Becas de Posgrado Ontario a CM, y los presidentes de Investigación en Micro y Nano Sistemas de Ingeniería de YS, y en Mecanobiología al CAS.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Sylgard 184 PDMS Monomer and Crosslinker Kit | Dow Corning | ||
SU-8 masters | |||
Silanization agent: (tridecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane | United Chemical Technologies | ||
Foam pads | Craft supply stores, 1-2 mm thick | ||
Overhead inkjet transparencies | Grand Toy | ||
Plexiglass plates | |||
C-clamp | hardware store | ||
Micromanipulator system | Siskiyou, Inc. | ||
Custom-made vaccum mount | |||
Vision system, Navitar 12x zoom | Navitar | ||
Connecting tubes | VWR international | Clay Adam Intramedic PE190 | |
Blunt 18G needles | Small Parts (www.smallparts.com) | ||
Eccentric diaphragm micropump | Schwarzer Precision | SP 500 EC-LC4.5V DC | |
Solenoid valves | Pneumadyne | S10MM-30-12-3 | |
Solenoid manifold | Pneumadyne | MSV10-1 | |
Function generator | |||
3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate | Sigma-Aldrich | ||
Polyethylene glycol diacrylate 3.4 kDa | Laysan Bio Inc. | ||
Polyethylene glycol 8 kDa | Sigma-Aldrich | ||
Irgacure 2959 | Ciba Specialty Chemicals | ||
1-vinyl-2-pyrolidinone | Sigma-Aldrich | ||
Standard cell culture reagents |
Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos
Solicitar permisoThis article has been published
Video Coming Soon
ACERCA DE JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados