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Method Article
In questo protocollo, dimostriamo la realizzazione di una serie di messaggi microattuatore verticalmente sfollati su cui si basa la tecnologia, e come questa tecnologia di base può essere modificato per condurre high-throughput di coltura cellulare meccanicamente dinamica sia la cultura bidimensionale e tridimensionale paradigmi.
La capacità di sondare sistematicamente in risposta cellulare in vitro a combinazioni di stimoli mechanobiological per l'ingegneria tissutale, la scoperta di farmaci o fondamentali studi di biologia cellulare è limitata dalle tecnologie attuali bioreattore, che non può allo stesso tempo applicare una varietà di stimoli meccanici di cellule in coltura. Per affrontare questo problema, abbiamo sviluppato una serie di piattaforme di microfabbricazione progettato per schermo per gli effetti degli stimoli meccanici in un formato high-throughput. In questo protocollo, dimostriamo la realizzazione di una serie di messaggi microattuatore verticalmente sfollati su cui si basa la tecnologia, e illustra, inoltre, come questa tecnologia di base può essere modificata per condurre high-throughput di coltura cellulare dinamica meccanicamente in entrambe le due dimensioni e tre paradigmi cultura dimensionale.
A. Descrizione del dispositivo e il funzionamento
I dispositivi sono fabbricati con multistrato litografia soft 1 in polidimetilsilossano (PDMS), e sono in grado di generare simultaneamente una serie di condizioni meccaniche in singoli luoghi di coltura cellulare attraverso l'array microfabbricazione. In questo protocollo, i passaggi per fabbricare una vasta gamma di azionamento pneumatico-microposts sono descritta per la prima, seguita dalla procedura per modificare il dispositivo per consentire la cultura meccanicamente dinamica sia bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D) paradigmi della cultura. L'approccio delineato microfabbricazione aumenta il throughput rispetto agli attuali sistemi di macroscala, ed è più adatto per lo screening per gli effetti di una varietà di condizioni meccaniche.
Il principio di funzionamento del dispositivo si basa su una serie di microposts verticale azionato. Microposts sono fabbricati su un diaframma liberamente sospeso, e sono sollevato e abbassato mediante l'applicazione di pressioni positive e negative sotto il diaframma di attuazione (Figura 1). Una caratteristica fondamentale della matrice è che variando la dimensione del diaframma di attuazione, una fonte di pressione singolo può essere utilizzato per ottenere una serie di spostamenti verticali attraverso l'array. Questo principio è usato per lo screening rapido risposta cellulare ad un gran numero di condizioni di stimolazione meccanica attraverso un unico dispositivo.
Sulla base di un progetto analogo macroscala da Schaffer et al. 2, il nostro progetto prevede una seconda sospesa e lubrificati film di coltura cellulare sopra il perno, consentendo alle cellule di esperienza deformazione 2D substrato come scivola la cultura cinematografica sul post carico sollevato. In alternativa, photopatterning una serie di cellule cariche di idrogel nei messaggi di carico a compressione permette di stimolazione delle cellule in coltura 3D. Istruzioni dettagliate nella creazione di questi sistemi seguire.
B. Realizzazione della serie microattuatore pneumatico
Realizzazione della serie microattuatore pneumatico richiede l'allineamento rigorosi in strutture multistrato PDMS. Questo è difficile, a causa di errori di allineamento ritiro indotta registrazione. Per risolvere questo problema, usiamo un processo di fabbricazione chiamato 'fabbricazione stampo panino' 3, mostrato per eliminare in modo efficace questo problema 4.
Materiali di preparazione
Sandwich Mold Fabrication
Costruire il dispositivo multistrato
t "> Lo schema per la fabbricazione del vettore microattuatore è fornita nella Figura 2A, e il funzionamento degli attuatori è mostrato nelle Figure 2 B e C. Per fabbricare il dispositivo:Connettori
C. meccanicamente attivo substrati cultura 2D
L'array di microposts azionamento può essere utilizzato per creare diversi profili di tensione in un film polimerico in sospensione, sulla quale vengono coltivate le cellule. Alzare la posta in un film lubrificato fa il film di scivolare e deformare tutto il post. Utilizzando una circolare risultati messaggio di carico in una distribuzione ceppo equibiaxial, ma ildesign è versatile in quanto forme altro posto può essere usato per creare una varietà di campi di deformazione. Per modificare l'array attuatore per esperimenti di coltura 2D (schema nella figura 3):
Caratterizzazione dettagliata del funzionamento microdispositivi e gli esperimenti biologici condotti su questa piattaforma sono stati pubblicati altrove 7.
D. idrogel 3D meccanico attivo
Le modifiche al dispositivo può anche essere usato per abilitare la compressione di photopatterned. cell-carico, tridimensionale idrogel in un high-throughput modo. In questo esempio, abbiamo creato 350 micron di diametro in polietilene glicole (PEG) cilindri idrogel, incapsulando C3H10T1 / 2 cellule staminali mesenchimali del mouse, e applicare tensioni di compressione da 5 a 25% attraverso l'array. Questo protocollo può essere utilizzato con idrogel chimiche più avanzate fotopolimerizzazione. Per utilizzare la piattaforma per gli esperimenti in tridimensionale mechanobiology (schema in Figura 4):
Dispositivo modifiche:
Polimerizzazione in situ:
Cell-carichi di idrogel PEG sono state poi modellate photolithographically nei dispositivi 8,9 come segue:
Caratterizzazione dettagliata del funzionamento microdispositivi e gli esperimenti biologici condotti su questa piattaforma sono stati pubblicati altrove 10.
E. apparecchiature periferiche
Modificato piastre di Petri vengono utilizzati per mantenere la sterilità di colture di cellule in fase di avviamento dei dispositivi. Un ago smussato e spogliato 18G è incollato con resina epossidica in un foro praticato nel lato della capsula di Petri. Tubi (Clay Adams Intramedic PE190; VWR International, Arlington Heights, IL, USA) è a pressione montate questi connettori e si collega al elettrovalvole controllata e fonte di pressione.
Pressioni per i dispositivi sono forniti da micropompe esterni. Per gli esperimenti 2D, i valori di pressione positiva 30-55 kPa sono stati generati utilizzando una tensione controllata eccentrica pompa a diaframma (SP 500 CE-LC 4.5VDC; Schwarzer Precision, Germania). Un impulso a larghezza di controllo della tensione di modulazione basata viene usato per variare la tensione applicata al controllo della pressione di uscita. Elettrovalvole e collettori (S10MM-30-12-3 e MSV10-1; Pneumadyne, Plymouth, MN, USA) sono utilizzate per creare una forma d'onda ciclica di pressione. Le valvole sono azionate con un segnale a 12 V, controllato da un generatore di piazza funzione d'onda.
F. caratterizzazione del dispositivo e l'uso
Imaging sul dispositivo
Un problema comune con le cellule o particelle di imaging sul dispositivo è scarsa risoluzione ottica a causa della condensazione di gocce sotto la pellicola PDMS sostenere il post carico. Questa condensazione deriva da differenze di temperatura e umidità all'interno dell'incubatrice e dopo la fissazione o su un palcoscenico microscopio. Per risolvere questo problema:
Per l'imaging cellulare dal vivo, questa procedura può essere fatta prima di seminare le cellule sui dispositivi. Tuttavia, i canali devono essere progettati abbastanza grande da prevenire eventuali perdite di viscosa di pressione tra le unità del dispositivo.
Caratterizzazione del ceppo di monitoraggio tallone
Sui sistemi 2D cultura:
Una procedura simile può essere seguita per caratterizzare i ceppi nei sistemi 3D. Miscelare una quantità di perline fluorescenti nel hydrogel precursore soluzione. Nel caso del sistema di idrogel PEG, le dimensioni dei pori sono molto più piccoli rispetto a quelli delle perle 1 micron di diametro. Perle sono incapsulati in idrogel, e il sistema può essere ripreso con un microscopio confocale. Spostamenti cordone possono essere monitorati, analizzati e montato su un modello di deformazione.
G. Rappresentante Risultati
Risultati rappresentativi per la fabbricazione del dispositivo, la caratterizzazione e il funzionamento sono previste nelle figure 5 e 6.
Figura 1. Stampo processo Sandwich fabbricazione. (A) Una maggiore trasparenza in testa è attentamente abbassata sul polimerizzato PDMS su un SU-8 master. (B) Il sandwich è posto in una pila schiuma, vetro e metallo, e curato in un forno a compressione. (C) La pila è smontato e la trasparenza staccato, mantenendo la fantasia PDMS layer 3. Riprodotto con il permesso dell'Istituto di Fisica.
Figura 2. Schematica di micropost verticale azionato a (A) riposo e (B) quando viene azionato. (C) Schema del processo di fabbricazione multistrato necessario per creare un array di microposts 3. Adattato con il permesso dell'Istituto di Fisica.
Figura 3. Processo di modificare microattuatore serie di condurre esperimenti di cellule coltivate su una deformazione bidimensionale substrato 7. Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figura 4. Processo di modificare microattuatore serie di condurre esperimenti di cellule in coltura in tre dimensioni idrogel photopatterned costruisce 10. Riprodotto con il permesso di Elsevier.
Figura 5. (A) Esempio di dispositivo per la cultura mechanostimulatory 2D. Colorante rosso usato per marcare la azionamento canali di distribuzione della pressione, e colorante blu utilizzato per contrassegnare i canali di lubrificazione. (B) l'immagine del campione di un esperimento di caratterizzazione del ceppo. Macchie rosse rappresentano la posizione deformata delle perle, mentre le macchie verdi rappresentano le posizioni deformate 7. Riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry http://dx.doi.org/10.1039/B914460A .
Figura 6. (A) Esempio di dispositivo per il 3D esperimenti di compressione. Verde colorante usato per marcare canali di pressione attuazione. (B) Top-down vista di array micropost con (C) un idrogel costruire modellata in cima al post. (D, E) Side-ricostruite le immagini di perline fluorescenti in idrogel costruire sotto (D) e riposo (E) la pressione di azionamento 55 kPa, a dimostrazione del processo di caratterizzazione del ceppo in un sistema di coltura 3D 10. Riprodotto con il permesso di Elsevier.
Anche se concettualmente semplice, fabbricazione del dispositivo ci vuole una certa abilità sperimentale e pratica. In particolare nel caso di colture cellulari in 2D, l'allineamento degli strati multipli nel dispositivo può essere impegnativo, soprattutto in una grande area array. In pratica, possiamo ottenere un affidabile al 100% tasso di successo allineamento utilizzando dispositivi con 50 micron di tolleranza nella spaziatura tra le funzioni adiacenti in strati multipli. Abbiamo anche dimostrato con successo ...
Noi riconosciamo il sostegno finanziario della scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada e del Canadian Institutes of Health Research (CHRPJ 323533-06), la borsa di studio Ontario Graduate programma a CM, ei presidenti canadese Research in Micro e Nano Sistemi Ingegneria di YS, e in Mechanobiology 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 |
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