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Method Article
Dans ce protocole, nous démontrons la fabrication d'un tableau de messages microactionneur déplacé verticalement sur lequel la technologie est basée, et comment cette technologie de base peut être modifié pour mener à haut débit de culture de cellules mécanique dynamique dans la culture à la fois à deux dimensions et en trois dimensions paradigmes.
La capacité de la sonde systématiquement in vitro de la réponse cellulaire à des combinaisons de stimuli mécanobiologique pour l'ingénierie tissulaire, la découverte de médicaments ou d'études fondamentales de biologie cellulaire est limitée par les technologies actuelles bioréacteur, qui ne peut pas appliquer simultanément une variété de stimuli mécaniques pour les cellules cultivées. Afin de répondre à cette question, nous avons développé une série de plates-formes conçues pour microfabriqué écran pour les effets des stimuli mécaniques dans un format à haut débit. Dans ce protocole, nous démontrons la fabrication d'un tableau de messages microactionneur déplacé verticalement sur lequel la technologie est basée, et encore démontrer comment cette technologie de base peut être modifié pour mener à haut débit de culture de cellules mécanique dynamique dans les deux à deux dimensions et trois paradigmes de la culture dimensionnelle.
A. Description de l'appareil et le fonctionnement
Les appareils sont fabriqués en utilisant des multicouches lithographie douce 1 en polydiméthylsiloxane (PDMS), et sont capables de générer simultanément une gamme de conditions mécaniques dans les différents lieux de culture de cellules dans le tableau microfabriqué. Dans ce protocole, les étapes pour fabriquer un tableau de commande pneumatique actionné par microposts sont d'abord décrites, suivi par des mesures pour modifier le dispositif pour permettre la culture mécanique dynamique dans les deux paradigmes en deux dimensions (2D) et en trois dimensions de la culture (3D). L'approche esquissée microfabriqué augmente le débit de plus les systèmes existants macroscopique, et est mieux adapté pour dépister les effets d'une variété de conditions mécaniques.
Le principe de fonctionnement de l'appareil est basé sur un tableau de microposts vertical actionné. Microposts sont fabriqués sur une membrane librement suspendu, et sont soulevées et abaissées par l'application de pressions positives et négatives sous la membrane d'actionnement (figure 1). Une caractéristique clé du tableau est que, en faisant varier la taille de la membrane d'actionnement, une source de pression unique peut être utilisé pour obtenir une gamme de déplacements verticaux à travers le tableau. Ce principe est utilisé pour dépister rapidement la réponse cellulaire à un grand nombre de conditions de stimulation mécanique sur un seul appareil.
Basé sur une conception analogue macroscopique par Schaffer et al. 2, notre conception comporte un deuxième film avec sursis et lubrifié culture cellulaire au cours de la poste, permettant aux cellules de l'expérience déformation du substrat 2D comme les feuillets du film culture sur le poste de chargement élevé. Alternativement, photopatterning un tableau de cellules chargées de hydrogels plus les postes de chargement permet la compression pour la stimulation des cellules en culture 3D. Des instructions détaillées dans la mise en place de ces systèmes suivent.
B. Fabrication du tableau microactionneur pneumatiques
Fabrication du tableau microactionneur pneumatiques nécessite un alignement rigoureux dans les structures multicouches PDMS. Ceci est difficile, en raison du rétrécissement induit des erreurs d'inscription alignement. Pour remédier à cela, nous utilisons un procédé de fabrication appelé «fabrication de moules en sandwich» 3, représenté pour éliminer efficacement cette question 4.
Préparation des matériaux
Fabrication de moules Sandwich
Construire le dispositif multicouches
t "> Le schéma pour la fabrication de la matrice microactionneur est fourni dans la figure 2A, et le fonctionnement des actionneurs est montré dans les figures 2B et C. Pour fabriquer le dispositif:Connecteurs
C. Engin actifs substrats de culture en 2D
Le tableau de microposts actionné peut être utilisé pour créer des profils différents de contrainte dans un film de polymère en suspension, sur lequel les cellules sont cultivées. Augmenter le message dans un film lubrifié entraîne le film à glisser et à se déformer autour du poteau. L'utilisation d'un résultat circulaires après chargement dans une distribution des déformations equibiaxial, mais leconception est polyvalent dans ce message formes différentes peuvent être utilisées pour créer une variété de champs de déformations. Pour modifier le tableau de l'actionneur pour des expériences de culture en 2D (schéma de la figure 3):
La caractérisation détaillée de l'opération microdispositif et les expériences biologiques réalisées sur cette plateforme ont été publiés ailleurs 7.
D. Engin actifs hydrogels 3D
Modifications de l'appareil peut également être utilisé pour activer la compression des photopatterned. cellule chargée, en trois dimensions des hydrogels de manière à haut débit. Dans cet exemple, nous créons 350 um de diamètre en polyéthylène-glycol cylindres hydrogel (PEG), en encapsulant C3H10T1 / 2 cellules de souris souches mésenchymateuses, et appliquer contraintes de compression allant de 5 à 25% dans le tableau. Ce protocole peut être utilisé avec plus avancés chimies photopolymérisation hydrogel. Pour utiliser la plate-forme pour des expériences en trois dimensions mécanobiologie (schéma de la figure 4):
Modifications périphériques:
Polymérisation in situ:
Hydrogels PEG-Cell ont ensuite été chargés dans la photolithographie à motifs 8,9 appareils comme suit:
La caractérisation détaillée de l'opération microdispositif et les expériences biologiques réalisées sur cette plateforme ont été publiés ailleurs 10.
E. équipements périphériques
Mise à jour des boîtes de Petri sont utilisés pour maintenir la stérilité des cultures de cellules lors de l'actionnement des dispositifs. Une aiguille émoussée et dépouillé 18G l'époxyde un trou percé dans le côté de la boîte de Pétri. Tubes (Clay Adams Intramedic PE190; VWR International, Arlington Heights, IL, USA) est emmanché à ces connecteurs et se connecte au électrovannes commandées et la source de pression.
Pressions pour les appareils sont fournis par micropompes externes. Pour les expériences en 2D, les valeurs de pression positive de 30 à 55 kPa ont été générés en utilisant une pompe à membrane commandée en tension excentrique (SP 500 EC-LC 4.5Vdc; Schwarzer Precision, Allemagne). Un contrôleur de modulation de largeur de tension base est utilisée pour faire varier la tension appliquée au contrôle de sortie de pression. Electrovannes et les collecteurs (S10MM-30-12-3 et MSV10-1; Pneumadyne, Plymouth, MN, USA) sont utilisés pour créer une onde de pression cyclique. Les soupapes sont actionnées par un signal 12 V, contrôlé par un générateur de fonctions d'onde carrée.
La caractérisation et l'utilisation de périphériques F.
Imagerie de l'appareil
Un problème commun avec les cellules d'imagerie ou de particules sur l'appareil est faible résolution optique due à la condensation des gouttelettes sous le film de PDMS soutenant le poste de chargement. Cette condensation provient des différences de température et d'humidité à l'intérieur de l'incubateur et après fixation ou sur une platine de microscope. Pour résoudre ce problème:
Pour l'imagerie des cellules vivantes, cette procédure peut être fait avant l'ensemencement des cellules sur les périphériques. Toutefois, les chaînes doivent être conçus assez grande pour empêcher toute perte de pression visqueuse entre les unités sur l'appareil.
Strain caractérisation par le suivi des perles
Sur les systèmes de culture en 2D:
Une procédure similaire peut être suivie pour caractériser les souches dans les systèmes 3D. Mélanger une quantité de billes fluorescentes dans la hsolution de précurseur ydrogel. Dans le cas du système d'hydrogel PEG, la taille des pores sont beaucoup plus petits que ceux de l'une des perles um de diamètre. Les perles sont encapsulées dans l'hydrogel, et le système peut être imagée en utilisant un microscope confocal. Déplacements de billes peuvent ensuite être suivis, analysés et montés sur un modèle de déformation.
G. résultats représentatifs
Les résultats représentatifs pour la fabrication de dispositifs, de caractérisation et d'exploitation sont fournies dans les figures 5 et 6.
Figure 1. Processus de fabrication du sandwich moule. (A) Un rétroprojecteur est soigneusement abaissée sur affinés PDMS sur un SU-8 maître. (B) Le sandwich est placé dans une pile de mousse, verre et métal, et durci dans un four sous compression. (C) La pile est démontée et la transparence décollée, en conservant les motifs PDMS couche 3. Reproduit avec la permission de l'Institut de Physique.
Figure 2. Schéma de microtiges vertical actionné à (A) de repos et de (B) lorsqu'il est actionné. (C) Schéma du processus de fabrication multicouches nécessaire de faire un tableau de microposts 3. Adapté avec la permission de l'Institut de Physique.
Figure 3. Processus de modifier array microactionneur de mener des expériences pour les cellules cultivées sur une déformation de deux dimensions substrat 7. Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figure 4. Processus de modifier array microactionneur de mener des expériences pour les cellules cultivées en trois dimensions des constructions photopatterned hydrogel 10. Reproduit avec la permission d'Elsevier.
Figure 5. Périphérique échantillon (A) pour la culture mechanostimulatory 2D. Colorant rouge utilisé pour marquer les canaux de livraison actionnement de pression, et du colorant bleu utilisé pour marquer les canaux de lubrification. Echantillon (B) d'une expérience de caractérisation des souches. Des taches rouges représentent l'emplacement non déformé des perles, tandis que des taches vertes représentent les emplacements déformés 7. Reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figure 6. Exemple de dispositif de (A) pour la 3D expériences de compression. Vert colorant utilisé pour marquer les canaux pression de commande. (B) de haut en bas de tableau Vue microtiges avec (C) de construire un hydrogel motifs sur le dessus du poste. (D, E) Side-reconstruit les images de billes fluorescentes dans l'hydrogel de construire sous (D) le repos et (E) les pressions actionnement 55 kPa, ce qui démontre le processus de caractérisation de la souche dans un système de culture 3D 10. Reproduit avec la permission d'Elsevier.
Bien que conceptuellement simple, la fabrication de dispositifs ne prennent une certaine habileté expérimentale et pratique. Particulièrement dans le cas de la culture cellulaire 2D, l'alignement des couches multiples dans l'appareil peut être difficile, surtout sur un large éventail de la région. Pratiquement parlant, nous pouvons atteindre un taux de fiabilité de 100% de succès d'alignement utilisant des dispositifs avec 50 um de tolérance dans l'espacement entre les éléments adjacents en co...
Nous reconnaissons l'appui financier de sciences naturelles et en génie du Canada et les Instituts canadiens de recherche en santé (CHRPJ 323533-06), le programme Bourses d'études supérieures de l'Ontario à la CM, et le Programme des chaires de recherche en micro et nano systèmes d'ingénierie à YS, et dans mécanobiologie devant le TAS.
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 |
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