Name: an open source technology platform to manufacture hydrogel-based 3d culture models in an automated and standardized fashion
Uploaded: 2022-03-31T12:30:00
Duration: 8 min 29 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Open Source Technology Platform to Manufacture Hydrogel-Based 3D Culture Models in an Automated and Standardized Fashion at JoVE.com

يعترف المؤلفون بأعضاء مركز الطب التجديدي في جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا ، ولا سيما أنتونيا هورست وباول ميشزانيك لاقتراحاتهم وملاحظاتهم المفيدة. تم دعم هذا العمل من قبل جائزة أبحاث الدراسات العليا في جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا ل SE ، ومن قبل مجلس البحوث الأسترالي (ARC) بموجب اتفاقية المنحة IC160100026 (مركز تدريب التحول الصناعي ARC في التصنيع الحيوي المضاف). تم دعم NB من قبل المجلس الوطني للصحة والبحوث الطبية (NHMRC) زمالة بيتر دوهرتي للبحوث المهنية المبكرة (APP1091734).

CM و DWH هم مؤسسون ومساهمون في Gelomics Pty Ltd. CM هو أيضا مدير Gelomics Pty Ltd. يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح ذات الصلة بموضوع هذه المقالة. ليس للمؤلفين أي انتماءات أخرى ذات صلة أو مشاركة مالية مع أي منظمة أو كيان له مصلحة مالية أو تضارب مالي مع الموضوع أو المواد التي نوقشت في المقالة بصرف النظر عن تلك التي تم الكشف عنها.

يعد سحب المواد اللزجة، وخاصة المواد الهلامية المائية للتطبيقات الطبية الحيوية19،20،21،33،47، من المهام الروتينية في العديد من مختبرات البحوث لإعداد تركيز محدد من قبل المستخدم أو سلسلة تخفيف بتركيزات مختلفة. على الرغم من أنه متكرر والتنفيذ بسيط إلى حد ما ، إلا أنه يتم تنفيذه يدويا في الغالب باستخدام إنتاجية عينة منخفضة18. يقدم هذا البرنامج التعليمي تشغيل محطة عمل مفتوحة المصدر ، والتي تم تصميمها خصيصا للمواد اللزجة ، لتمكين الخلط الآلي للمواد اللزجة لتوليد التركيزات المطلوبة القابلة للتكرار. تم تحسين محطة العمل هذه لسحب المواد الهلامية المائية لتمكين المعالجة الآلية والموثوقة للغاية من خلال دمج أرصفة درجة الحرارة للمواد المستجيبة للحرارة ، وماصات الإزاحة الإيجابية للمواد اللزجة ، وقاعدة لمس طرفية اختيارية لإزالة المواد الزائدة من الحافة. تم تحسين وحدة السحب على وجه التحديد لتمكين معالجة المواد اللزجة بطريقة موحدة وآلية. بالمقارنة مع ماصات وسادة الهواء (الشكل 5 أ) ، تقوم ماصات الإزاحة الإيجابية (الشكل 5 ب) بتوزيع المواد اللزجة دون ترك المواد المتبقية في الطرف ، مما يؤدي إلى أحجام شفط وتوزيع دقيقة. يزيل الرصيف الاختياري الذي يعمل باللمس من طرف العينة الزائدة من الطرف (الشكل 5 ج ، د) ، وهو أمر مفيد للمواد اللاصقة (على سبيل المثال ، 4٪ (ث / v) جينات).
تمت برمجة تطبيق مصمم البروتوكول خصيصا للهيدروجيل ويسمح بتخفيف ما يصل إلى أربعة كواشف بتركيزات مختلفة وما يصل إلى اثنين من المواد المخففة. يتم منع خطر حدوث أخطاء في حساب التخفيفات النهائية في هذا التطبيق ، حيث يختار المستخدمون فقط التركيز المطلوب أو خطوات التخفيف التسلسلية. يتم حساب وحدات التخزين المطلوبة للشفط والتوزيع تلقائيا، ويتم حفظها في ملف نصي منفصل للوثائق، ثم تعبئتها في البرنامج النصي للبروتوكول. يمنح تطبيق تصميم البروتوكول هذا المستخدم التحكم الكامل في جميع المعلمات التجريبية (على سبيل المثال ، سرعة السحب) ويضمن التوثيق الداخلي للمعلمات المهمة. يأخذ تطبيق تصميم البروتوكول مستوى ملء الخزان (على سبيل المثال ، جيدا) في الاعتبار ويغير ارتفاع الشفط / التوزيع لمنع الغمس غير الضروري في المواد اللزجة. تتجنب هذه الميزة المدمجة تراكم المواد على الجدار الخارجي للطرف ، وبالتالي تضمن مهام الشفط والتوزيع الموثوقة في جميع أنحاء البروتوكول. على الرغم من أن تطبيق مصمم البروتوكول قد تم تطويره لخطوات تخفيف الهيدروجيل ، إلا أنه يمكن استخدامه أيضا لتخفيف السوائل غير اللزجة ، مثل أصباغ Orange G. تطبيق مصمم البروتوكول ، الذي يمكن الوصول إليه عبر المستودع تحت عنوان "/ الأمثلة / المنشور-JoVE" ، هو الإصدار الذي يتم شرحه في قسم البروتوكول وتمييزه في الفيديو. لن يتم تحديث هذا الإصدار. ومع ذلك ، يتوفر إصدار محدث من تطبيق مصمم البروتوكول عبر صفحة المستودع الرئيسية. تم تطوير محطة المعايرة في البداية بواسطة Sanderson48 وتم تحسينها لمعايرة ماصات الإزاحة الإيجابية.
كما هو موضح في قسم البروتوكول 4 ، يجب معايرة الماصات وكذلك الحاويات في البداية. تعد عملية المعايرة هذه ضرورية لتحديد وحفظ المواضع التي يتم استخدامها بعد ذلك لحساب زيادات الحركة. لذلك ، يعتمد تنفيذ البروتوكول الناجح على مواضع معايرة محددة جيدا ، حيث يمكن أن تؤدي نقاط المعايرة الخاطئة إلى تحطم الطرف في حاوية. نظرا لأنه يجب معايرة مواضع المكبس للماصات يدويا ، فإن دقة السحب ودقته تعتمد بشكل كبير على المعايرة التي يتم إجراؤها. تعتمد إجراءات المعايرة هذه بشكل كبير على تجربة المستخدم مع وحدة السحب ، وبالتالي ، يوصى بالتدريب مع الموظفين ذوي الخبرة في البداية لضمان إجراءات المعايرة المناسبة. بالإضافة إلى المعايرة اليدوية على وحدة السحب ، يجب معايرة الماصة نفسها لضمان السحب الدقيق. يوصى بمعايرة الماصات كل 12 شهرا على الأقل لتلبية معايير القبول كما هو محدد في ISO 8655. لتقييم معايرة الماصة داخليا ، يتوفر التحقق والتحقق كما هو موضح من قبل Stangegaard et al.16.
من أجل توليد مجموعة بيانات موثوقة ، من الأهمية بمكان البدء بكواشف ذات جودة عالية. هذا مهم بشكل خاص لمهام معالجة الهيدروجيل ، حيث قد تؤثر الاختلافات من دفعة إلى دفعة على النتائج الناتجة داخل هذا البروتوكول. بالإضافة إلى الاختلافات من دفعة إلى أخرى ، قد تسهم التغييرات الطفيفة في إعداد الأحجام الصغيرة أيضا في اختلافات الخصائص. لمنع ذلك ، يوصى بإعداد كميات أكبر ، والتي يمكن استخدامها للتجارب بأكملها.
تعتمد إجراءات التحقق والتحقق على استخدام صبغة لتحديد مخاليط موثوقة. يصف البروتوكول المقدم تطبيق Orange G ، ولكن يمكن أيضا تكييف سير عمل البروتوكول والتحليل العام مع الأصباغ الفلورية49,50. يقلل استخدام Orange G من المتطلبات التقنية لمقياس الطيف الضوئي ويزيل الاحتياطات المتخذة لمنع تبييض أصباغ الفلورسنت بعد التعرض للضوء. لم يتم ملاحظة المشكلات في سلوك الذوبان أو تكوين الكتلة للصبغة مع المواد المعروضة أثناء التجارب ولكن قد تظهر مع مواد أخرى. يمكن بسهولة اكتشاف تكوين العنقود المحتمل ، وبالتالي التفاعل بين الصبغة والمواد باستخدام المجهر.
تضيف الإجراءات والتقنيات المقدمة في هذا البرنامج التعليمي إمكانية التشغيل الآلي إلى سير العمل الحالي للمواد اللزجة لتحقيق مهام موثوقة للغاية بأقل قدر من العمالة البشرية. يتضمن جدول استكشاف الأخطاء وإصلاحها المقدم (الجدول 2) المشكلات المحددة ويعرض الأسباب المحتملة بالإضافة إلى الحلول لحل المشكلات. تم تطبيق محطة العمل المقدمة بنجاح على المواد البوليمرية الطبيعية (الجيلاتين ، صمغ الجيلان ، الماتريجيل) والاصطناعية (على سبيل المثال ، البولي (الإيثيلين جلايكول) [PEG] ، Pluronic F127 ، Lutrol F127) لمهام السحب الآلية. على وجه الخصوص ، سيكون الجمع بين محطة عمل مفتوحة المصدر وتطبيق تصميم بروتوكول مفتوح المصدر مصمم للمواد اللزجة مفيدا جدا للباحثين العاملين في مجالات الهندسة الطبية الحيوية وعلوم المواد وعلم الأحياء الدقيقة.

تعتبر قابلية التكرار والتكرار ذات أهمية قصوى في العمل العلمي1،2،3،4. ومع ذلك، فقد سلطت الأدلة الحديثة الضوء على تحديات كبيرة في تكرار الدراسات الطبية الحيوية عالية التأثير في العلوم الأساسية وكذلك البحوث الانتقالية4،5،6،7. العوامل التي تسهم في نتائج غير قابلة للتكرار معقدة ومتعددة ، مثل تصميم الدراسة الضعيف أو المنحاز 6,8 ، أو القوة الإحصائية غير الكافية3,9 ، أو عدم الامتثال لمعايير الإبلاغ 7,10,11 ، أو الضغط للنشر6 ، أو الطرق أو التعليمات البرمجية البرمجية غير المتاحة6,9 . ومن بينها، تم تحديد التغييرات الطفيفة في البروتوكول والأخطاء البشرية في تنفيذ التجارب كعناصر أخرى تمثل عدم قابلية الاستنساخ4. على سبيل المثال، تؤدي مهام السحب اليدوي إلى عدم الدقة داخل الأفراد وفيما بينهم12،13 وتزيد من احتمال وقوع أخطاء بشرية14. في حين أن روبوتات مناولة السوائل التجارية قادرة على التغلب على هذه العيوب وأظهرت موثوقية متزايدة للسوائل15،16،17 ، فإن المعالجة الآلية للمواد ذات الخصائص اللزجة الكبيرة لا تزال تمثل تحديا.
تستخدم روبوتات مناولة السوائل التجارية عادة ماصات وسادة الهواء ، والمعروفة أيضا باسم مكبس الهواء أو ماصات إزاحة الهواء. يتم فصل الكاشف والمكبس بواسطة وسادة هوائية تتقلص أثناء خطوات الاستغناء وتتوسع أثناء خطوات الشفط. باستخدام ماصات وسادة الهواء ، فإن المواد اللزجة "تتدفق" ببطء فقط داخل وخارج الطرف ، وقد يؤدي السحب المبكر للماصة من الخزان إلى شفط فقاعات الهواء. أثناء مهام التوزيع ، تترك المادة اللزجة فيلما على جدار الطرف الداخلي الذي "يتدفق" ببطء فقط أو لا يتدفق على الإطلاق عندما يتم إجباره على الهواء. للتغلب على هذه المشكلات ، تم إدخال ماصات الإزاحة الإيجابية تجاريا لبثق المواد اللزجة بنشاط من الطرف باستخدام مكبس صلب. على الرغم من أن ماصات الإزاحة الإيجابية هذه تمكن من التعامل الدقيق والموثوق به مع المواد اللزجة، إلا أن الحلول الآلية مع ماصات الإزاحة الإيجابية لا تزال مكلفة للغاية بالنسبة لإعدادات المختبرات الأكاديمية، وبالتالي، فإن معظم مهام سير العمل التي تحتوي على مواد لزجة تعتمد فقط على مهام السحب اليدوي18.
بشكل عام ، يتم تعريف اللزوجة على أنها مقاومة السائل للتدفق ، ويتم تعريف المواد اللزجة أيضا على أنها مواد ذات لزوجة أكبر للماء (0.89 mPa·s s عند 25 درجة مئوية). في مجال التطبيقات الطبية الحيوية ، غالبا ما تحتوي الإعدادات التجريبية على مواد متعددة ذات لزوجة أكبر من الماء ، مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO ؛ 1.99 mPa ·s عند 25 درجة مئوية) ، الجلسرين (208.1 mPa ·s عند 25 درجة مئوية ل 90٪ الجلسرين [v / v]) ، Triton X-100 (240 mPa ·s عند 25 درجة مئوية) ، والبوليمرات المتورمة بالماء ، ويشار إليها باسم hydrogels19 ، 20. الهلاميات المائية هي شبكات بوليمر محبة للماء مرتبة في وضع فيزيائي و / أو كيميائي يستخدم لتطبيقات مختلفة ، بما في ذلك تغليف الخلايا ، وتوصيل الأدوية ، والمحركات اللينة 19،20،21،22. تعتمد لزوجة الهلاميات المائية على تركيز البوليمر والوزن الجزيئي19. تظهر الهلاميات المائية المستخدمة بشكل روتيني للتطبيقات الطبية الحيوية قيم لزوجة تتراوح بين 1 و 1000 mPa ·s ، في حين تم الإبلاغ عن أنظمة هيدروجيل محددة بقيم تصل إلى 6 × 107 mPa ·s19,23,24. ومع ذلك ، فإن قياسات اللزوجة للهيدروجيل غير موحدة من حيث بروتوكول القياس وإعداد العينات ، وبالتالي ، يصعب مقارنة قيم اللزوجة بين الدراسات المختلفة.
نظرا لأن الحلول الآلية المتاحة تجاريا والمصممة خصيصا للهيدروجيل إما مفقودة أو مكلفة للغاية، فإن سير العمل الحالي للهيدروجيل يعتمد على المناولة اليدوية18. لفهم القيود المفروضة على سير العمل الحالي القائم على الدليل لسحب المواد الهلامية المائية، من المهم فهم مهام المناولة الأساسية18. على سبيل المثال ، بمجرد تصنيع مادة هيدروجيل جديدة ، يتم إنشاء تركيز مرغوب فيه أو سلسلة تخفيف بتركيزات متفاوتة لتحديد بروتوكولات التوليف الموثوقة وخصائص الربط مع التحليل اللاحق للخصائص الميكانيكية 25،26،27،28 . بشكل عام ، يتم تحضير محلول المخزون أو شرائه ، ثم يتم خلطه لاحقا مع كاشف مخفف و / أو كواشف أخرى للحصول على خليط. لا يتم تنفيذ مهام الخلط في الغالب مباشرة في لوحة بئر (أو أي تنسيق إخراج) ، ويتم تنفيذها بدلا من ذلك في أنبوب تفاعل منفصل ، والذي يشار إليه عادة باسم المزيج الرئيسي. خلال مهام التحضير هذه ، هناك حاجة إلى خطوات مختلفة للشفط والتوزيع لنقل المادة (المواد) اللزجة ، وخلط الكواشف ، ونقل الخليط إلى شكل إخراج (على سبيل المثال ، لوحة بئر 96). تتطلب هذه المهام قدرا كبيرا من العمل البشري18 ، وساعات تجريبية طويلة ، وتزيد من احتمال حدوث أخطاء بشرية يمكن أن تظهر كنتائج غير دقيقة. علاوة على ذلك ، تمنع المعالجة اليدوية الإعداد الفعال لأرقام العينات العالية لفحص مجموعات المعلمات المختلفة للتوصيف التفصيلي. كما تعيق المعالجة اليدوية استخدام المواد الهلامية المائية في تطبيقات الفحص عالية الإنتاجية، مثل تحديد المركبات الواعدة أثناء تطوير الأدوية. خطوات التحضير الحالية القائمة على الأدلة غير مجدية لفحص مكتبات الأدوية التي تتكون من آلاف الأدوية. لهذه الأسباب، هناك حاجة إلى حلول آلية لتوفير عملية تطوير فعالة وتمكين الترجمة الناجحة للهيدروجيل لتطبيقات فحص الأدوية.
للانتقال من سير العمل اليدوي إلى العمليات الآلية، قمنا بتحسين روبوت سحب تجاري مفتوح المصدر للتعامل مع المواد اللزجة من خلال دمج أرصفة درجة الحرارة للمواد المستجيبة للحرارة، واستخدام ماصات الإزاحة الإيجابية الجاهزة باستخدام أطراف المكبس الشعرية، ورصيف اختياري يعمل باللمس لتنظيف طرف الماصة. تم دمج روبوت السحب هذا كوحدة سحب في محطة عمل مفتوحة المصدر تم تطويرها حديثا ، والتي تتكون من وحدات جاهزة للتثبيت وقابلة للتخصيص 18,29. يمكن الوصول بحرية إلى تعليمات التجميع التفصيلية لمحطة العمل المطورة بما في ذلك ملفات الأجهزة والبرامج من GitHub (https://github.com/SebastianEggert/OpenWorkstation) ومستودع Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.3612757). بالإضافة إلى تطوير الأجهزة ، تمت برمجة تطبيق تصميم بروتوكول مفتوح المصدر وإصداره لتوجيه المستخدم خلال عملية اختيار المعلمة وإنشاء رمز بروتوكول جاهز للاستخدام (https://github.com/SebastianEggert/ProtocolDesignApp). يعمل هذا الرمز على روبوت السحب التجاري مفتوح المصدر وكذلك على محطة العمل مفتوحة المصدر المطورة.
هنا ، يتم توفير برنامج تعليمي شامل حول تشغيل محطة العمل مفتوحة المصدر لأتمتة مهام الخلط للمواد اللزجة (الشكل 1). يمكن تنفيذ خطوات البروتوكول الخاصة بالبرنامج التعليمي باستخدام محطة العمل مفتوحة المصدر المطورة بالإضافة إلى روبوت السحب التجاري مفتوح المصدر. بدعم من تطبيق تصميم بروتوكول مفتوح المصدر تم تطويره داخليا ، يتم عرض الخلط الآلي وإعداد التركيزات المطلوبة للجليسرين والجيلاتين ميثاكريلويل (GelMA) والجينات. تم اختيار الجلسرين في هذا البرنامج التعليمي ، نظرا لأنه يتميز بشكل جيد30,31 ، فهو غير مكلف ومتاح بسهولة ، وبالتالي ، فإنه يستخدم عادة كمادة مرجعية لزجة لمهام السحب الآلية. وكأمثلة على المواد الهلامية المائية المستخدمة في التطبيقات الطبية الحيوية، تم تطبيق حلول سلائف هيدروجيل GelMA و alginate لتجارب الخلط الآلية. يقدم GelMA أحد أكثر الهلاميات المائية استخداما لدراسات تغليف الخلايا32,33 ، وتم اختيار الجينات في هذه الدراسة لإثبات القدرة على تصنيع هيدروجيلات الشبكة المزدوجة 34,35. باستخدام Orange G كصبغة ، تم تنفيذ إجراء سريع وغير مكلف للتحقق من صحة نتائج الخلط والتحقق منها باستخدام مقياس الطيف الضوئي16.
تم دمج روبوت سحب تجاري مفتوح المصدر كوحدة سحب في محطة العمل مفتوحة المصدر المطورة (الشكل 2 أ) ، وبالتالي ، يتم استخدام اسم "وحدة السحب" بشكل أكبر لوصف روبوت السحب. إن وصفا مفصلا للأجهزة المثبتة خارج نطاق هذا البروتوكول وهو متاح عبر المستودعات المقدمة والتي تتضمن أيضا إرشادات خطوة بخطوة للجمعية العامة للنظام الأساسي مفتوح المصدر. يمكن تجهيز وحدة السحب بماصتين (ماصة أحادية أو 8 قنوات) مثبتة على المحور A (يمين) والمحور B (يسار) (الشكل 2b). توفر وحدة السحب سعة 10 طوابق وفقا لمعايير المعهد الوطني الأمريكي للمعايير / جمعية أتمتة المختبرات وفحصها (ANSI / SLAS) ، ويتم تحديد مواقع الموقع التالية على سطح السفينة: A1 و A2 و B1 و B2 و C1 و C2 و D1 و D2 و E1 و E2 (الشكل 2 ج). لبدء البلمرة المستحثة بالضوء لحلول الهيدروجيل ، يلزم وجود وحدة ربط متقاطع منفصلة وقد تمت إضافتها إلى محطة العمل. تم تجهيز وحدة الوصلة المتقاطعة بمصابيح LED بطول موجي يبلغ 400 نانومتر ، وبالتالي ، يمكن استخدام المواد التي تثير بطول موجي للضوء المرئي مع الأنظمة الحالية ، مثل ليثيوم فينيل-2،4،6 ثلاثي ميثيل بنزويل فوسفينات (LAP) 36،37. يمكن للمستخدم معالجة شدة (بالميجاوات / سم 2) لمصابيح LED في تطبيق تصميم البروتوكول لدراسة سلوك الربط المتبادل38. وتتضمن محطة العمل أيضا وحدة تخزين للتمكين من زيادة دراسات الإنتاجية؛ ومع ذلك ، لا يتم استخدام هذه الوحدة في هذه الدراسة ، وبالتالي ، لا يتم وصفها بشكل أكبر. بشكل عام ، يوصى بتشغيل وحدة السحب في خزانة السلامة البيولوجية لتجنب تلوث العينة. دائرة الطاقة الرئيسية لتشغيل وحدة السحب هي دائرة 12 فولت ، والتي تعتبر تطبيقا منخفض الجهد في معظم البلدان. تعتمد جميع المكونات الكهربائية في صندوق تحكم مخصص يمنع المستخدمين من ملامسة مصدر الخطر الكهربائي.
من خلال اتباع بروتوكولات الخلط الموحدة هذه ، يمكن للباحثين تحقيق مخاليط موثوقة للمواد اللزجة وغير اللزجة بطريقة آلية. يسمح نهج المصدر المفتوح للمستخدمين بتحسين تسلسلات الخلط ومشاركة البروتوكولات المطورة حديثا مع المجتمع. وفي نهاية المطاف، سيسهل هذا النهج فحص مجموعات المعلمات المتعددة للتحقيق في أوجه الاعتماد المتبادل بين العوامل المختلفة، وبالتالي تسريع التطبيق الموثوق به وتطوير المواد اللزجة للتطبيقات الطبية الحيوية.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1065px;" width="1065">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">15 reaction tubes</td>
			<td style="width:301px;">Fisher Scientific, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">14-959-53A</td>
			<td style="width:301px;"></td>
		</tr>
		<tr height="147">
			<td height="147" style="height:147px;width:260px;">5 mL tubes</td>
			<td style="width:301px;">Pacific Laboratory Products Australia Pty. Ltd. (Australia)</td>
			<td style="width:203px;">SCT-5ML</td>
			<td style="width:301px;">size depends on experimentl protocol; also Eppies (0.5, 1, 1.5 mL) or Falcon tubes (15, 50mL) can be used; product is manufactured by Axygen, Inc. https://www.pacificlab.com.au/shop/tubes-plastic/sct-5ml-tubewith-screwcap-blue-unassembled-5ml-self-standing/1/name</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">50 mL reaction tubes</td>
			<td style="width:301px;">Fisher Scientific, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">14-432-22</td>
			<td style="width:301px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">&#65279;70% w/w Ethanol</td>
			<td style="width:301px;">LabChem, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">aja726-5Lpl</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">96-well plate</td>
			<td style="width:301px;">Thermo Fisher Scientific, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;"></td>
			<td>https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/168055</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Alginate</td>
			<td style="width:301px;">NovaMatrix</td>
			<td align="right" style="width:203px;">4200001</td>
			<td>https://www.novamatrix.biz/store/pronova-up-lvg/</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">&#65279;Demineralized or ultrapure (MilliQ) water</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td style="width:203px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:260px;">Gelatin methacryloyl (GelMA)</td>
			<td style="width:301px;">Synthetized in-house</td>
			<td style="width:203px;"></td>
			<td style="width:301px;">detailed protocol (incl materials and references) is available in Loessner et al. (2016), Nature Protocols. https://www.nature.com/articles/nprot.2016.037</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP)</td>
			<td style="width:301px;">Sigma-Aldrich, Inc. (USA)</td>
			<td align="right" style="width:203px;">900889</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">M4 and M5 Allen key</td>
			<td style="width:301px;">OpenBuilds, inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">179, 190</td>
			<td>also available in every hardware store. https://openbuildspartstore.com/allen-wrench/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">OrangeG</td>
			<td style="width:301px;">Fisher Scientific (USA)</td>
			<td style="width:203px;">O267-25</td>
			<td>https://www.fishersci.com/shop/products/orange-g-certified-biological-stain-fisher-chemical/O26725</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">&#65279;Phosphate-buffered saline (PBS)</td>
			<td style="width:301px;">Thermo Fisher Scientific, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">14190-144</td>
			<td style="width:301px;">alternativly: PBS tablets: 18912014 (Thermo Fisher Scientific)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Equipment</td>
			<td style="width:301px;"></td>
			<td style="width:203px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">Aluminium blocks for temperature dock</td>
			<td style="width:301px;">Ratek Instruments Pty. Ltd. (Australia)</td>
			<td style="width:203px;">SB16</td>
			<td>blocks for different tube sizes are available. http://www.ratek.com.au/products/SB16-Block-with-12x16mm-holes.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">&#65279;Analytical balance</td>
			<td style="width:301px;">Sartorius AG (Germany)</td>
			<td style="width:203px;">ED224S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">Open source liquid handling robot: commercial product</td>
			<td style="width:301px;">Opentrons Laboratories, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">OT-One S Pro</td>
			<td>https://shop.opentrons.com/products/ot-one-pro</td>
		</tr>
		<tr height="45">
			<td>Open source liquid handling robot: open source hardware</td>
			<td>Assembled in-house following an open source approach</td>
			<td></td>
			<td>hardware and software files are freely accessible on GitHub and Zenodo (links provided); building instructions are provided. https://github.com/SebastianEggert/OpenWorkstation. https://zenodo.org/record/3612757#.XipEjBV7F24</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:260px;">Positive displacement pipette: MicromanE</td>
			<td style="width:301px;">Gilson, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">FD10006</td>
			<td>depends on required size. https://www.gilson.com/default/shop-products/pipettes/positive-displacement.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Spectrophotometer</td>
			<td style="width:301px;">BMG LABTECH GmbH (Germany)</td>
			<td style="width:203px;">CLARIOstar</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:260px;">Tips: capillary pistons</td>
			<td style="width:301px;">Gilson, Inc. (USA)</td>
			<td style="width:203px;">F148180</td>
			<td>depends on required size. https://www.gilson.com/default/shop-products/pipette-tips.html?technique_en_ww_lk=191</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an open source technology platform to manufacture hydrogel-based 3d culture models in an automated and standardized fashion

تعتمد خطوات الخلط الحالية للمواد اللزجة على المهام المتكررة والمستهلكة للوقت والتي يتم تنفيذها يدويا بشكل أساسي في وضع الإنتاجية المنخفضة. تمثل هذه المشكلات عيوبا في سير العمل يمكن أن تؤدي في النهاية إلى عدم إمكانية تكرار نتائج البحوث. كما أن سير العمل اليدوي يزيد من الحد من تقدم المواد اللزجة واعتمادها على نطاق واسع، مثل المواد الهلامية المائية المستخدمة في التطبيقات الطبية الحيوية. يمكن التغلب على هذه التحديات باستخدام سير العمل الآلي مع عمليات خلط موحدة لزيادة قابلية التكرار. في هذه الدراسة ، نقدم إرشادات خطوة بخطوة لاستخدام مصمم بروتوكول مفتوح المصدر ، لتشغيل محطة عمل مفتوحة المصدر ، وتحديد المخاليط القابلة للتكرار. على وجه التحديد ، يقوم مصمم البروتوكول مفتوح المصدر بتوجيه المستخدم خلال اختيار المعلمة التجريبية وإنشاء رمز بروتوكول جاهز للاستخدام لتشغيل محطة العمل. تم تحسين محطة العمل هذه لسحب المواد اللزجة لتمكين المعالجة الآلية والموثوقة للغاية من خلال دمج أرصفة درجة الحرارة للمواد المستجيبة للحرارة ، وماصات الإزاحة الإيجابية للمواد اللزجة ، وقاعدة لمس طرف اختيارية لإزالة المواد الزائدة من طرف الماصة. يتم التحقق من صحة المخاليط والتحقق منها عن طريق قياس امتصاص سريع وغير مكلف ل Orange G. يقدم هذا البروتوكول نتائج للحصول على 80٪ (v / v) مخاليط الجلسرين ، وسلسلة تخفيف للجيلاتين ميثاكريلويل (GelMA) ، وهيدروجيل الشبكة المزدوجة من 5٪ (w / v) GelMA و 2٪ (w / v) alginate. يتم تضمين دليل استكشاف الأخطاء وإصلاحها لدعم المستخدمين في اعتماد البروتوكول. يمكن تطبيق سير العمل الموصوف على نطاق واسع على عدد من المواد اللزجة لإنشاء تركيزات محددة من قبل المستخدم بطريقة آلية.

Watch this Scientific Journal Video about An Open Source Technology Platform to Manufacture Hydrogel-Based 3D Culture Models in an Automated and Standardized Fashion at JoVE.com

An Open Source Technology Platform to Manufacture Hydrogel-Based 3D Culture Models in an Automated and Standardized Fashion

يعمل هذا البروتوكول كبرنامج تعليمي شامل للخلط الموحد والقابل للتكرار للمواد اللزجة مع تقنية أتمتة مفتوحة المصدر جديدة. وتقدم تعليمات مفصلة بشأن تشغيل محطة عمل مفتوحة المصدر مطورة حديثا، واستخدام مصمم بروتوكول مفتوح المصدر، والتحقق من الصحة والتحقق لتحديد المخاليط القابلة للاستنساخ.

منصة تقنية مفتوحة المصدر لتصنيع نماذج ثقافة 3D القائمة على الهيدروجيل بطريقة آلية وموحدة

Current mixing steps of viscous materials rely on repetitive and time-consuming tasks which are performed mainly manually in a low throughput mode. These ...

تواجه البحوث الطبية الحيوية أزمة قابلية للتكرار حيث نادرا ما تترجم نتائج البحوث الجديدة إلى تطبيقات علاجية. يقلل هذا البروتوكول من العامل البشري ويدخل الأتمتة والتوحيد القياسي في التصنيع. تركز هذه الطريقة بشكل خاص على الهيدروجيلات القابلة للربط عبر الصور لتطبيقات زراعة الخلايا 3D حيث أصبحت الهيدروجيل المنصة الأكثر استخداما في نماذج أنسجة السرطان والأمراض الأخرى خلال العقد الماضي.لقد نجحنا في معالجة القيود الحالية على الأجهزة والبرامج من خلال تطوير منصة تقنية مفتوحة المصدر. تم تصميم هذه المنصة خصيصا للهيدروجيل وتمكن سير عمل التصنيع الآلي لأبحاث هندسة الأنسجة. لتثبيت واجهة برمجة التطبيقات، افتح واجهة سطر الأوامر.لتثبيت واجهة برمجة تطبيقات العمل، أدخل نقطة تثبيت openworkstation واضغط على مفتاح الإدخال Enter. لتشغيل وحدة التصنيع الحيوي للسحب، أدخل الأمر لتثبيت واجهة برمجة تطبيقات opentrons. ثم استخدم سطر الأوامر لفتح برنامج نصي Python والتحقق مما إذا كان قد تم تثبيت كل من واجهات برمجة التطبيقات بنجاح.لإنشاء رمز البروتوكول، افتح تطبيق تصميم البروتوكول لإنشاء برنامج نصي مخصص للبروتوكول سيتم تنفيذه بواسطة النظام الأساسي. تعمل الواجهة على كل متصفح إنترنت شائع الاستخدام. أدخل اسم البروتوكول في صفحة الإعداد وانقر فوق متابعة.في إعداد درج الإدخال، حدد ثلاثة في أربعة كتل تسخين لتحديد درج الإدخال. لتحديد المواد وتركيزات المخزون، حدد Gel 1 من قائمة تعريف المدخلات وأدخل GelMA كاسم. اضبط تركيز المخزون على 20٪ وعدد العينات على ثلاثة وانقر فوق إضافة لحفظ الإدخالات وملء العمود الأول.حدد Gel 2 من قائمة تعريف المدخلات وأدخل Alginate كاسم. اضبط تركيز المخزون على 4٪ وعدد العينات على ثلاثة وانقر فوق إضافة لحفظ الإدخالات وملء العمود الثاني. بعد تعيين البادئ الضوئي والمعلمات المخففة كما هو موضح ، حدد الربط المتقاطع للصور ، واضبط الوقت على 30 ثانية ، والكثافة على اثنين وانقر فوق موافق. بعد ذلك ، اضبط نوع لوحة البئر على 96 صفيحة بئر وانقر فوق المجموعة 1 للسماح بتحديد المعلمات الخاصة بإنشاء هيدروجيل مزدوج الشبكة.ثم حدد المربع تطبيق بروتوكول الخلط المتقدم إذا لزم الأمر، واضبط عدد العينات على 96، وانقر فوق متابعة. لتعيين تخطيط سطح السفينة، حدد نوع الدرج المناسب لكل فتحة. عند تحديد جميع أنواع الصواني، انقر فوق المربع الأيسر للماصة وحدد إزاحة إيجابية من 10 إلى 100 ميكرولتر من القائمة المنسدلة.اضبط سرعة الشفط على 600 وسرعة التوزيع على 800. ثم اضبط معلمات الماصة الصحيحة بنفس الطريقة. ثم انقر فوق إنشاء بروتوكول لإنشاء البرنامج النصي للبروتوكول وحفظه.قبل تنفيذ البروتوكول ، قم برش المواد الاستهلاكية بنسبة 70٪ من الإيثانول ووضعها وفقا للإعداد المحدد في إعداد المستخدم. ضع أنابيب التفاعل مع المواد الموجودة في كتلة الألومنيوم على أرصفة درجة الحرارة وفقا للإعداد المحدد. بعد ذلك ، رش قفازاتك بنسبة 70٪ من الإيثانول وافتح أنابيب التفاعل بعناية دون لمس الأنابيب المفتوحة.عندما تصل المواد إلى درجة الحرارة التجريبية المناسبة ، قم بتشغيل البروتوكول الذي تم إنشاؤه باستخدام واجهة المستخدم. ستبدأ محطة العمل بعملية التوجيه ، تليها الحصول على لوحة بئر فارغة من وحدة التخزين. بعد إزالة الغطاء من لوحة البئر ، يتم نقل اللوحة إلى الوحدة التالية.يحدد البروتوكول الحجم الذي يتم سحبه من كل محلول مخزون ويغير تلقائيا الأطراف بعد كل مادة لمنع التلوث المتبادل. لخلط الحلول اللزجة بطريقة قابلة للتكرار ، تنفذ محطة العمل بروتوكول خلط محدد تم تحسينه للهلاميات المائية اللزجة. يأخذ تطبيق تصميم البروتوكول مستوى ملء الخزان في الاعتبار ويكيف تلقائيا ارتفاع الخلط لمنع الغمس غير الضروري في المواد اللزجة.بعد التوليد التلقائي لنماذج 3D ولوحات الآبار ، تغلق محطة العمل لوحة البئر بالغطاء مرة أخرى وتخزن لوحة البئر في الموضع المبرمج في وحدة التخزين. بمجرد الانتهاء من البروتوكول ، قم بإزالة اللوحة من وحدة التخزين. للتحقق من البروتوكول الذي تم إجراؤه والتحقق منه ، قم بتحميل اللوحة على مقياس الطيف الضوئي واقرأ الامتصاص مرتين عند 450 نانومتر.بعد حفظ قيم الامتصاص ، افتح ملف جدول بيانات التحليل الذي يتم توفيره كمادة تكميلية في المنشور وانسخ قراءات الامتصاص إلى الجدول في ورقة البيانات الخام. ثم انقر على ورقة التحليل لعرض القيم المتوسطة، والانحراف المعياري، ومعامل قيم التباين، والتي يتم حسابها تلقائيا وعرضها لتوزيع عينة موحدة لصفوف محددة ولأعمدة محددة من لوحة بئر 96. للعثور على الإعداد الذي يضمن قابلية عالية للتكرار لحلول الجلسرين ، تم إنشاء بروتوكولات دون التحكم في درجة الحرارة ودون لمس الطرف ، مع التحكم في درجة الحرارة ودون لمس الطرف ، أو مع التحكم في درجة الحرارة ومع لمس الطرف.كشف المعامل المحسوب لقيم التباين للإعدادات الثلاثة عن تأثير كبير لرصيف درجة الحرارة ووظيفة اللمس الطرفي ، مما يسلط الضوء على قدرة البروتوكول على توليد نتائج قابلة للتكرار للغاية عند استخدام كلتا الميزتين. باستخدام وظيفة لمس الطرف مع رصيف درجة الحرارة ، تم تقليل الانحراف المعياري بشكل كبير في الإعداد الثالث. لم يسفر رسم قيم امتصاص العينة للإعداد الثالث عن أي قيم متزايدة أو متناقصة طوال التجربة ، وبالتالي لم يشر إلى أي تأثير لموضع العينة على قيم الامتصاص.بعد ذلك ، تم إعداد سلسلة تخفيف GelMA عن طريق تخفيف محلول مخزون GelMA بنسبة 20٪ وتقييم الاختلافات بين تخفيفات GelMA المختلفة. كانت قيمة الامتصاص المقاسة في كل خطوة تركيز مختلفة اختلافا كبيرا وأظهر الانحدار الخطي ملاءمة عالية تؤكد قدرة خطوات التركيز المتميزة التي سيتم توليدها. بالإضافة إلى ذلك ، تم تقييم تأثير لمسة الطرف للهيدروجيل المزدوج الشبكة مع 5٪ GelMA و 2٪ alginate و 0.15٪ LAP ، والتي تم إنشاؤها تلقائيا مع الإعداد.يؤدي تكامل اللمس الطرفي إلى انخفاض كبير في الانحراف المعياري الذي يدعم إنشاء مجموعة بيانات قابلة للتكرار. أكد تصور قيم الامتصاص والخرائط الحرارية انخفاض الانحراف عند استخدام لمسة الطرف لإزالة المواد الزائدة من الطرف. تتيح تقنيتنا أتمتة تصنيع الهيدروجيل لزراعة الخلايا 3D وهندسة الأنسجة.إنه حل منخفض التكلفة لزيادة الإنتاجية وقابلية التكرار لسير العمل الصعب تقنيا. من خلال توفير نهج مفتوح المصدر قابل للتخصيص ، تمهد هذه التقنية الطريق للتكيف على نطاق واسع لأتمتة العمليات في أبحاث هندسة الأنسجة.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

GENPLAT: an Automated Platform for Biomass Enzyme Discovery and Cocktail Optimization

GENPLAT : منبرا الآلي لاكتشاف انزيم الكتلة الحيوية والتحسين كوكتيل

The high cost of enzymes for biomass deconstruction is a major impediment to the economic conversion of lignocellulosic feedstocks to liquid ...

Development of an In Vitro Ocular Platform to Test Contact Lenses

Development of an In Vitro Ocular Platform to Test Contact Lenses

تطوير<em&gt; في المختبر</em&gt; بصري منصة لاختبار العدسات اللاصقة

Currently, in vitro evaluations of contact lenses (CLs) for drug delivery are typically performed in large volume vials,1-6 which fail to mimic ...

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

An In Vitro Organ Culture Model of the Murine Intervertebral Disc

ل<em&gt; في المختبر</em&gt; نموذج الثقافة الجهاز من الفئران فقرات القرص

Intervertebral disc (IVD) degeneration is a significant contributor to low back pain. The IVD is a fibrocartilaginous joint that serves to transmit and ...

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

مثبط لصناعة تقنية لتلفيق ميكروماتشينيس على أساس المائية مع مكونات مغناطيسيا استجابة سريعة وسهلة

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...

An Ultrahigh-throughput Microfluidic Platform for Single-cell Genome Sequencing

منصة موائع جزيئية أولتراهيغ الإنتاجية لتسلسل جينوم خلية واحدة

Sequencing technologies have undergone a paradigm shift from bulk to single-cell resolution in response to an evolving understanding of the role of ...

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

A Novel Surgical Technique As a Foundation for In Vivo Partial Liver Engineering in Rat

رواية تقنية جراحية كأساس في فيفو جزئي الهندسة الكبد في الفئران

Organ engineering is a novel strategy to generate liver organ substitutes that can potentially be used in transplantation. Recently, in vivo liver ...

Design of an Open-Source, Low-Cost Bioink and Food Melt Extrusion 3D Printer

تصميم طابعة بيوينك بيوينك مفتوحة المصدر ومنخفضة التكلفة وطابعة البثق الغذائي

Three-dimensional (3D) printing is an increasingly popular manufacturing technique that allows highly complex objects to be fabricated with no retooling ...

Applications for Open Source Microplate-Compatible Illumination Panels

تطبيقات للواح الاضاءه المتوافقة مع اللوحة المفتوحة المصدر

Microplates are commonly used in the modern laboratory environment for a wide variety of tasks both in small-scale laboratory benchtop operations as well ...

Screening and Identification of Small Peptides Targeting Fibroblast Growth Factor Receptor2 using a Phage Display Peptide Library

فحص وتحديد الببتيدات الصغيرة التي تستهدف عامل نمو الخلايا الليفية Receptor2 باستخدام مكتبه الببتيد العرض Phage

The human Fibroblast Growth Factor Receptor (FGFR) family comprises four members, namely, FGFR1, FGFR2, FGFR3, and FGFR4, that are involved in various ...

Protocols of 3D Bioprinting of Gelatin Methacryloyl Hydrogel Based Bioinks

بروتوكولات 3D بيوريتينغ من الجيلاتين ميثاكريلويل هيدروجيل القائم علي الحيوية

Gelatin methacryloyl (GelMA) has become a popular biomaterial in the field of bioprinting. The derivation of this material is gelatin, which is hydrolyzed ...