Name: gelatin methacryloyl granular hydrogel scaffolds: high-throughput microgel fabrication, lyophilization, chemical assembly, and 3d bioprinting
Uploaded: 2022-12-09T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Gelatin Methacryloyl Granular Hydrogel Scaffolds: High-throughput Microgel Fabrication, Lyophilization, Chemical Assembly, and 3D Bioprinting at JoVE.com

يود المؤلفون أن يشكروا T. Pond ، أخصائي دعم الأبحاث في قسم الهندسة الكيميائية بجامعة ولاية بنسلفانيا (ولاية بنسلفانيا) ، وموظفي مختبر التصنيع النانوي في ولاية بنسلفانيا ، والدكتور J. de Rutte من Partillion Bioscience للمساعدة والمناقشة المتعلقة بعمليات التصنيع النانوي. يقر A. شيخي بدعم معهد أبحاث المواد (MRI) وكلية المواد الهندسية على المستوى البشري ، ومركز التقارب لأنظمة المواد الحية متعددة الوظائف (LiMC2) ومجموعة أنظمة المواد الحية والتكيف والطاقة المستقلة (livMatS) برنامج منحة البذور البحثية التعاونية للمواد الحية متعددة الوظائف ، وصندوق بدء التشغيل من ولاية بنسلفانيا. تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور جزئيا من قبل المعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية (NIBIB) التابع للمعاهد الوطنية للصحة (NIH) تحت رقم الجائزة R56EB032672.

ملاحظة: راجع جدول المواد للحصول على التفاصيل المتعلقة بجميع المواد والأدوات والكواشف المستخدمة في هذا البروتوكول.
1. توليف GelMA
ملاحظة: يجب إجراء تخليق GelMA في غطاء دخان كيميائي ، ويجب استخدام معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) طوال الوقت.
<ol><...

<ol>
	<li>Feng, Q., Li, D., Li, Q., Cao, X., Dong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microgel+assembly:+Fabrication,+characteristics+and+application+in+tissue+engineering+and+regenerative+medicine.">Microgel assembly: Fabrication, characteristics and application in tissue engineering and regenerative medicine.</a> Bioactive Materials. 9, 105-119 (2022).</li><li>Daly, A. C., Riley, L., Segura, T., Burdick, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel+microparticles+for+biomedical+applications.">Hydrogel microparticles for biomedical applications.</a> Nature Reviews Materials. 5 (1), 20-43 (2020).</li><li>Griffin, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activating+an+adaptive+immune+response+from+a+hydrogel+scaffold+imparts+regenerative+wound+healing.">Activating an adaptive immune response from a hydrogel scaffold imparts regenerative wound healing.</a> Nature Materials. 20 (4), 560-569 (2021).</li><li>Griffin, D. R., Weaver, W. M., Scumpia, P. O., Di Carlo, D., Segura, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerated+wound+healing+by+injectable+microporous+gel+scaffolds+assembled+from+annealed+building+blocks.">Accelerated wound healing by injectable microporous gel scaffolds assembled from annealed building blocks.</a> Nature Materials. 14 (7), 737-744 (2015).</li><li>Ding, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Jammed+micro-flake+hydrogel+for+four-dimensional+living+cell+bioprinting.">Jammed micro-flake hydrogel for four-dimensional living cell bioprinting.</a> Advanced Materials. 34 (15), 2109394 (2022).</li><li>Muir, V. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sticking+together:+injectable+granular+hydrogels+with+increased+functionality+via+dynamic+covalent+inter-particle+crosslinking.">Sticking together: injectable granular hydrogels with increased functionality via dynamic covalent inter-particle crosslinking.</a> Small. 18 (36), 2201115 (2022).</li><li>Sideris, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+hydrogels+based+on+hyaluronic+acid+building+blocks.">Particle hydrogels based on hyaluronic acid building blocks.</a> ACS Biomaterials Science and Engineering. 2 (11), 2034-2041 (2016).</li><li>Molley, T. G., Hung, T., Kilian, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell-laden+gradient+microgel+suspensions+for+spatial+control+of+differentiation+during+biofabrication.">Cell-laden gradient microgel suspensions for spatial control of differentiation during biofabrication.</a> Advanced Healthcare Materials. , 2201122 (2022).</li><li>Zoratto, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+forming+microporous+gelatin+methacryloyl+hydrogel+scaffolds+from+thermostable+microgels+for+tissue+engineering.">In situ forming microporous gelatin methacryloyl hydrogel scaffolds from thermostable microgels for tissue engineering.</a> Bioengineering and Translational. 5 (3), (2020).</li><li>Yuan, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+fused+granular+hydrogels+with+ultrastretchability,+strong+adhesion,+and+mutli-bioactivities+for+efficient+chronic+wound+care.">In situ fused granular hydrogels with ultrastretchability, strong adhesion, and mutli-bioactivities for efficient chronic wound care.</a> Chemical Engineering Journal. 450, 138076 (2022).</li><li>Ataie, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoengineered+granular+hydrogel+bioinks+with+preserved+interconnected+microporosity+for+extrusion+bioprinting.">Nanoengineered granular hydrogel bioinks with preserved interconnected microporosity for extrusion bioprinting.</a> Small. 18 (37), 2202390 (2022).</li><li>Annabi, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=25th+anniversary+article:+rational+design+and+applications+of+hydrogels+in+regenerative+medicine.">25th anniversary article: rational design and applications of hydrogels in regenerative medicine.</a> Advanced Materials. 26 (1), 85-124 (2014).</li><li>Rajabi, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+on+bioprinted+gelatin+methacrylate-based+hydrogels+for+tissue+repair.">Recent advances on bioprinted gelatin methacrylate-based hydrogels for tissue repair.</a> Tissue Engineering. Part A. 27 (11-12), 679-702 (2021).</li><li>Sheikhi, A., Di Carlo, D., Khademhosseini, A., De Rutte, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+fabricating+modular+hydrogels+from+macromolecules+with+orthogonal+physico-chemical+responsivity.">Methods for fabricating modular hydrogels from macromolecules with orthogonal physico-chemical responsivity.</a> U.S. Patent Application. , (2021).</li><li>Sheikhi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic-enabled+bottom-up+hydrogels+from+annealable+naturally-derived+protein+microbeads.">Microfluidic-enabled bottom-up hydrogels from annealable naturally-derived protein microbeads.</a> Biomaterials. 192, 560-568 (2019).</li><li>Hinton, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+printing+of+complex+biological+structures+by+freeform+reversible+embedding+of+suspended+hydrogels.">Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels.</a> Science Advances. 1 (9), (2015).</li><li>Seymour, A. J., Shin, S., Heilshorn, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+microgel+scaffolds+with+tunable+void+fraction+to+promote+cell+infiltration.">3D printing of microgel scaffolds with tunable void fraction to promote cell infiltration.</a> Advanced Healthcare Materials. 10 (18), 2100644 (2021).</li><li>Lee, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+bioprinting+of+collagen+to+rebuild+components+of+the+human+heart.">3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart.</a> Science. 365 (6452), 482-487 (2019).</li><li>de Rutte, J. M., Koh, J., Di Carlo, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+high-throughput+production+of+modular+microgels+for+in+situ+assembly+of+microporous+tissue+scaffolds.">Scalable high-throughput production of modular microgels for in situ assembly of microporous tissue scaffolds.</a> Advanced Functional Materials. 29 (25), 1900071 (2019).</li><li>Sheikhi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modular+microporous+hydrogels+formed+from+microgel+beads+with+orthogonal+thermo-chemical+responsivity:+Microfluidic+fabrication+and+characterization.">Modular microporous hydrogels formed from microgel beads with orthogonal thermo-chemical responsivity: Microfluidic fabrication and characterization.</a> MethodsX. 6, 1747-1752 (2019).</li><li>Van Den Bulcke, A. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+and+rheological+properties+of+methacrylamide+modified+gelatin+hydrogels.">Structural and rheological properties of methacrylamide modified gelatin hydrogels.</a> Biomacromolecules. 1 (1), 31-38 (2000).</li><li>Qazi, T. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+rod-shaped+particles+influence+injectable+granular+hydrogel+properties+and+cell+invasion.">Anisotropic rod-shaped particles influence injectable granular hydrogel properties and cell invasion.</a> Advanced Materials. 34 (12), 2109194 (2022).</li><li>Highley, C. B., Song, K. H., Daly, A. C., Burdick, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Jammed+microgel+inks+for+3d+printing+applications.">Jammed microgel inks for 3d printing applications.</a> Advanced Science. 6 (1), 1801076 (2019).</li><li>Claa&#223;en, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+substitution+of+gelatin+methacryloyl:+best+practice+and+current+pitfalls.">Quantification of substitution of gelatin methacryloyl: best practice and current pitfalls.</a> Biomacromolecules. 19 (1), 42-52 (2018).</li><li>Sheikhi, A., Di Carlo, D., Khademhosseini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+for+converting+colloidal+systems+to+resuspendable/redispersable+powders+that+preserve+the+original+properties+of+the+colloids.">Methods for converting colloidal systems to resuspendable/redispersable powders that preserve the original properties of the colloids.</a> U.S. Patent Application. , (2022).</li><li>Sheikhi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microengineered+emulsion-to-powder+technology+for+the+high-fidelity+preservation+of+molecular,+colloidal,+and+bulk+properties+of+hydrogel+suspensions.">Microengineered emulsion-to-powder technology for the high-fidelity preservation of molecular, colloidal, and bulk properties of hydrogel suspensions.</a> ACS Applied Polymer Materials. 1 (8), 1935-1941 (2019).</li><li>Lee, S., de Rutte, J., Dimatteo, R., Koo, D., Di Carlo, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+fabrication+and+use+of+3d+structured+microparticles+spatially+functionalized+with+biomolecules.">Scalable fabrication and use of 3d structured microparticles spatially functionalized with biomolecules.</a> ACS Nano. 16 (1), 38-49 (2022).</li><li>Charlet, A., Bono, F., Amstad, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+reinforcement+of+granular+hydrogels.">Mechanical reinforcement of granular hydrogels.</a> Chemical Science. 13 (11), 3082-3093 (2022).</li></ol>

الجيلاتين ومشتقاته هي المواد الحيوية القائمة على البروتين الأكثر استخداما لتصنيع HMP. يمكن التغلب على التحدي المتمثل في مفاضلة الإنتاجية مقابل حجم الجسيمات أحادية التشتت باستخدام أجهزة الموائع الدقيقة ذات الاستحلاب التدريجي. هذه الأجهزة قادرة على تكوين أكثر من 40 مليون قطرة في الساعة ، مع...

اكتسب تجميع اللبنات الأساسية HMP لتشكيل سقالات هندسة الأنسجة اهتماما هائلا في السنوات القليلة الماضية1. تتميز GHS ، المصنعة عبر تجميع HMP ، بخصائص فريدة مقارنة بنظيراتها السائبة ، بما في ذلك المسامية الدقيقة على نطاق الخلية الناشئة من المساحات الفارغة بين لبنات البناء المنفصلة. الخصائص الإضافية ، مثل قابلية الحقن ، والنمطية ، والصلابة المنفصلة عن المسامية ، تجعل GHS منصة واعدة لتعزيز إصلاح الأنسجة وتجديدها2. تم استخدام مواد حيوية مختلفة لتصنيع GHS ، بما في ذلك البوليمرات الاصطناعية القائمة على PEG3,4 والسكريات ، مثل الجينات5 وحمض الهيالورونيك 6,7. من بين البوليمرات المشتقة بشكل طبيعي ، فإن البوليمر الحيوي الأكثر شيوعا القائم على البروتين لتصنيع GHS هو GelMA8،9،10،11 ، وهو مادة حيوية قابلة للربط المتشابك ومتوافقة حيويا ولاصقة حيوية وقابلة للتحلل الحيوي12,13.
يمكن تصنيع HMPs عن طريق استحلاب الدفعات8 ، أو التركيز على التدفق 14,15 أو الاستحلابالتدريجي 9,11 أجهزة الموائع الدقيقة ، أو المزج 16 ، أو التراكمالمعقد 17,18. عادة ، هناك مقايضة بين إنتاجية التصنيع والتشتت الأحادي HMP. على سبيل المثال ، تنتج تقنية المزج HMPs غير منتظمة الشكل ومتعددة التشتت للغاية. يتيح استحلاب الدفعات أو التكثيف المعقد إنتاج كميات كبيرة من HMPs الكروية متعددة التشتت. تم استخدام أجهزة الموائع الدقيقة التي تركز على التدفق لتصنيع قطرات أحادية التشتت بدرجة عالية مع معامل تباين يبلغ <5٪ ، ولكن الإنتاجية منخفضة بشكل ملحوظ. في أجهزة الموائع الدقيقة ذات الاستحلاب التدريجي ، تتيح الخطوات المتوازية للغاية تصنيع HMPs أحادي التشتت19 عالي الإنتاجية.
تتميز كتل بناء الجيلاتين المعدل بالميثاكريلويل (GelMA) HMP بأنها مستجيبة للحرارة وقابلة للتشابك كيميائيا (للصور) ، مما يتيح تصنيع GHS السهل20. عند التبريد تحت درجة حرارة المحلول الحرجة العليا (UCST) 21 (على سبيل المثال ، عند 4 درجات مئوية) ، يتم تحويل القطرات التي تحتوي على محلول GelMA إلى HMPs متشابكة ماديا. ثم يتم تعبئة كتل بناء HMP هذه باستخدام قوى خارجية (على سبيل المثال ، عن طريق الطرد المركزي) لإنتاج معلقات ميكروهلامية محشورة. يتم إنشاء روابط بين الجسيمات بين HMPs المجاورة عبر التشابك الكيميائي (الضوئي) لتشكيل GHS14 القوي ميكانيكيا. واحدة من أهم خصائص GHS هي المسامية الدقيقة ، مما يتيح اختراق الخلايا السهلة في المختبر11 وتعزيز نمو الأنسجة في الجسم الحي22. يتم إجراء الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد (3D) ل HMPs بشكل تقليدي باستخدام معلقات ميكروجيل معبأة بإحكام ، مما يضر بالمسامية الدقيقة23.
لقد طورنا مؤخرا فئة جديدة من الأحبار الحيوية الحبيبية تعتمد على الهندسة النانوية البينية للهلام الدقيق GelMA عبر امتزاز الجسيمات النانوية غير المتجانسة ، متبوعة بالتجميع الذاتي القابل للانعكاس للجسيمات النانوية. هذه الاستراتيجية تجعل الهلاميات الدقيقة المعبأة بشكل فضفاض تنتج القص والبثق 3D قابلة للطباعة الحيوية ، مما يحافظ على المسامية المجهرية ل GHS11 المصنعة بشكل إضافي. تقدم هذه المقالة طرق تصنيع قطرات GelMA عالية الإنتاجية ، وتحويل هذه القطرات إلى HMPs متشابكة جسديا ، وتصنيع GelMA HMPs باستخدام مسحوق قابل لإعادة التدوير ، وتشكيل GelMA GHS ، وإعداد الحبر الحيوي الحبيبي النانوي GelMA (NGB) ، والطباعة الحيوية 3D.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1H,1H-perfluoro-1-octanol</td>
			<td>Alfa Aesar, MA, USA</td>
			<td>B20156-18</td>
			<td>98% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biopsy punch</td>
			<td>Integra Miltex, NY, USA</td>
			<td>33-31A-P/25</td>
			<td>1.5 mm Biopsy Punch with Plunger System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt needle</td>
			<td>SANANTS</td>
			<td>30-002-25</td>
			<td>25 G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bruker Avance NEO 400 MHz</td>
			<td>400 MHz Bruker NEO, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td>NMR device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf, Germany</td>
			<td>5415 C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge tube</td>
			<td>Celltreat, MA ,USA</td>
			<td>229423</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coffee filters</td>
			<td>BUNN, IL, USA</td>
			<td>20104.0006</td>
			<td>BUNN 8-12 Cup Coffee Filters, 6 each, 100 ct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desiccator</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>5311-0250</td>
			<td>Nalgene Vacuum Desiccator, PC Cover and Body, 280 mm OD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterium oxide</td>
			<td>Sigma, MA, USA</td>
			<td>151882</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dialysis membrane (12-14 kDa)</td>
			<td>Spectrum Laboratories, NJ, USA</td>
			<td>08-667E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#39;s phosphate buffered saline (DPBS, 1x)</td>
			<td>Sigma, MA, USA</td>
			<td>56064C-10L</td>
			<td>dry powder, without calcium, without magnesium, suitable for cell culture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Erlenmeyer flask</td>
			<td>Corning, NY, USA</td>
			<td>4980</td>
			<td>Corning PYREX&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>89125-188</td>
			<td>Koptec 200 proof</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>External thread cryogenic vials (cryovials)</td>
			<td>Corning, NY, USA</td>
			<td>430659</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freeze dryer</td>
			<td>Labconco, MO, USA</td>
			<td>71042000</td>
			<td>Equipped with vacuum pump (Catalog# 7587000)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gelatin powder</td>
			<td>Sigma, MA, USA</td>
			<td>G1890-5100G</td>
			<td>Type A from porcine skin, gel strength ~300 g Bloom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass microscope slides</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>82027-788</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hotplate</td>
			<td>FOUR E&#39;S SCIENTIFIC</td>
			<td>MI0102003</td>
			<td>5 inch Magnetic Hotplate Stirrer Max Temp 280 &#176;C/536 &#176;F&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kimwipes</td>
			<td>Fischer scientific, MA, USA</td>
			<td>06-666</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KMPR 1000 negative photoresist series</td>
			<td>Kayaku Advanced Materials, MA, USA</td>
			<td>121619</td>
			<td>KMPR1025 and KMP1035 are included</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAPONITE XLG</td>
			<td>BYK USA Inc., CT, USA</td>
			<td>2344265</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP)</td>
			<td>Sigma, MA, USA</td>
			<td>900889-1G</td>
			<td>&#62;95%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luer-Lok connector</td>
			<td>BD, NJ, USA</td>
			<td>BD 302995&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MA/BA Gen4-Serie Mask- und Bond-Aligner</td>
			<td>S&#220;SS MicroTeck, German</td>
			<td></td>
			<td>Nanofabrication device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methacylate anhydride</td>
			<td>Sigma, MA, USA</td>
			<td>276685-100ML</td>
			<td>contains 2,000&#160;ppm topanol A as inhibitor, 94%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Milli-Q water</td>
			<td>Millipore Corporation, MA, USA</td>
			<td>ZRQSVR5WW</td>
			<td>electrical resistivity &#8776; 18 M&#937; at 25 &#176;C, Direct-Q 5 UV Remote Water Purification System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Novec 7500 engineering fluid</td>
			<td>3M, MN, USA</td>
			<td></td>
			<td>3M ID&#160;7100003723</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>VWR-1410</td>
			<td>1410 Vacuum Oven</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm</td>
			<td>Fischer scientific, MA, USA</td>
			<td>HS234526C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur pipette</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>14673-010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dish</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>25384-092</td>
			<td>polystyrene</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pico-Surf</td>
			<td>Sphere Fluidics, UK</td>
			<td>C022</td>
			<td>(5% (w/w) in Novec 7500)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>89079-970</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tips</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>87006-060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasma cleaner chamber</td>
			<td>Harrick Plasma, NY, USA</td>
			<td>PDC-001-HP&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane</td>
			<td>Dow Corning, MI, USA</td>
			<td>&#160;2065623</td>
			<td>SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Positive displacement pipette</td>
			<td>Microman E M100E, Gilson, OH, USA</td>
			<td>M100E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafers</td>
			<td>UniversityWafer, MA, USA</td>
			<td>452/1196</td>
			<td>4-inch mechanical grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spatula</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>231-0104</td>
			<td>Disposable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SU-8&#160;</td>
			<td>Kayaku Advanced Materials, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Harvard Apparatus, MA, USA</td>
			<td>70-2001</td>
			<td>PHD 2000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane</td>
			<td>Millipore Sigma, MA, USA</td>
			<td>448931-10G</td>
			<td>97%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tygon tubings</td>
			<td>Saint-globain, PA, USA</td>
			<td>AAD04103&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV light&#160;</td>
			<td>QUANS</td>
			<td></td>
			<td>Voltage: 85 V-265 V AC / Power: 20 W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum filtration unit</td>
			<td>VWR, PA, USA</td>
			<td>10040-460</td>
			<td>0.20 &#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex</td>
			<td>Fischer scientific, USA</td>
			<td>14-955-151</td>
			<td>Mini Vortex Mixer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

gelatin methacryloyl granular hydrogel scaffolds: high-throughput microgel fabrication, lyophilization, chemical assembly, and 3d bioprinting

أدى ظهور سقالات هيدروجيل الحبيبية (GHS) ، المصنعة عن طريق تجميع الجسيمات الدقيقة الهيدروجيل (HMPs) ، إلى تمكين تكوين سقالة صغيرة يسهل اختراقها في الموقع. على عكس الهلاميات المائية السائبة التقليدية ، تسهل المسام المجهرية المترابطة في GHS تسلل الخلايا المستقل عن التدهور بالإضافة إلى نقل الأكسجين والمغذيات والمنتجات الثانوية الخلوية. تم استخدام الجيلاتين المعدل بالميثاكريلويل (GelMA) ، وهو بوليمر حيوي (ضوئي) متشابك كيميائيا وقائم على البروتين يحتوي على مادة لاصقة للخلايا وأجزاء قابلة للتحلل ، على نطاق واسع كمادة حيوية مستجيبة للخلايا / مفيدة. قد يؤدي تحويل GelMA السائب إلى GHS إلى فتح عدد كبير من الفرص لهندسة الأنسجة وتجديدها. في هذه المقالة ، نوضح إجراءات تصنيع الهلام الدقيق GelMA عالي الإنتاجية ، والتحويل إلى الهلاميات الدقيقة الجافة القابلة للإعادة (الهلاميات الهوائية الدقيقة) ، وتشكيل GHS عبر التجميع الكيميائي للهلام الدقيق ، وتصنيع الحبر الحيوي الحبيبي للطباعة الحيوية بالبثق. نوضح كيف أن المعالجة الفيزيائية والكيميائية المتسلسلة عن طريق التبريد والتشابك الضوئي تمكن من تكوين GHS قوي ميكانيكيا. عندما يتعذر الوصول إلى الضوء (على سبيل المثال ، أثناء حقن الأنسجة العميقة) ، يمكن تجميع GelMA HMPs المتشابكة بشكل فردي بشكل فردي عبر التشابك الأنزيمي باستخدام transglutaminases. أخيرا ، يتم إظهار الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد (3D) ل GHS الصغيرة التي يسهل اختراقها بكثافة تعبئة HMP منخفضة من خلال التجميع الذاتي البيني للجسيمات النانوية المشحونة بشكل غير متجانس.

تم تصنيع GelMA من خلال تفاعل الجيلاتين مع MA ، كما هو موضح في الشكل 1A. من خلال تكييف ظروف التفاعل ، مثل تركيز MA ، تم الحصول على درجات مختلفة من استبدال MA. لتحديد درجة استبدال MA ، تم تقييم GelMA عبر التحليل الطيفي 1H NMR (الشكل 1B). أكدت مجموعات الفينيل الوظيفي?...

Watch this Scientific Journal Video about Gelatin Methacryloyl Granular Hydrogel Scaffolds: High-throughput Microgel Fabrication, Lyophilization, Chemical Assembly, and 3D Bioprinting at JoVE.com

Gelatin Methacryloyl Granular Hydrogel Scaffolds: High-throughput Microgel Fabrication, Lyophilization, Chemical Assembly, and 3D Bioprinting

توضح هذه المقالة بروتوكولات تصنيع هلام الجيلاتين ميثاكريلويل عالي الإنتاجية باستخدام أجهزة الموائع الدقيقة ، وتحويل الهلاميات الدقيقة إلى مسحوق قابل للإنعاش (الهلاميات الهوائية الدقيقة) ، والتجميع الكيميائي للهلام الدقيق لتشكيل سقالات هيدروجيل حبيبية ، وتطوير أحبار هيدروجيل حيوية حبيبية مع مسامية دقيقة محفوظة للطباعة الحيوية 3D.

سقالات هيدروجيل الحبيبية الجيلاتين ميثاكريلويل: تصنيع ميكروجيل عالي الإنتاجية ، التجفيد ، التجميع الكيميائي ، والطباعة الحيوية 3D

The emergence of granular hydrogel scaffolds (GHS), fabricated via assembling hydrogel microparticles (HMPs), has enabled microporous scaffold formation ...

يمكن استخدام المصفوفة خارج الخلية أو الجسيمات الدقيقة الهيدروجيل الرقمية ECM كوحدات بناء لتصنيع السقالات. يوضح هذا البروتوكول التصنيع والتنقية والتجفيد وتجميع الصور والطباعة الحيوية 3D للجسيمات الدقيقة للجيلاتين ميثاكريلويل أو الجسيمات الدقيقة هيدروجيل GelMA. GelMA عبارة عن بوليمر حيوي كيميائي ضوئي وقابل للتشابك وقائم على البروتين يحتوي على مادة لاصقة للخلايا وأجزاء قابلة للتحلل الحيوي والتي تم استخدامها على نطاق واسع كمادة حيوية مستجيبة للخلايا ومفيدة.بالمقارنة مع هيدروجيل السائب التقليدي ، فإن سقالات هيدروجيل الحبيبية GelMA صغيرة المسامية ، مما يتيح تسلل سريع للخلايا يمكن تخصيصه حسب حجم كتلة البناء. قد تفتح سقالات هيدروجيل الحبيبية GelMA فرصا جديدة للطباعة الحيوية 3D للأنسجة السميكة والأعضاء والأمراض على منصات رخيصة وهندسة متجددة. للبدء ، أضف 10 ملليغرام من LAP إلى 10 ملليلتر من DPBS لتحضير محلول بادئ ضوئي بنسبة 0.1٪.احم المحلول من الضوء عن طريق لفه بورق الألمنيوم وتسميته. بعد ذلك ، قم بإذابة الكمية المطلوبة من GelMA في محلول البادئ الضوئي. ضع المحلول المغلف بورق الألمنيوم في فرن 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة للحصول على محلول واضح.لتحضير مرحلة الزيت ، اصنع محلول خافض للتوتر السطحي متوافق حيويا بنسبة 2٪ في السائل الهندسي. أدخل أنبوب Tygon في مداخل ومخرج جهاز PDMS ، ثم أدخل إبرة حادة قياس 25 في الطرف الآخر من أنابيب Tygon للمداخل. ضع الجهاز تحت المجهر ، وحافظ على دفء البيئة عند حوالي 40 درجة مئوية باستخدام مجفف شعر أو سخان فضاء.قم بتحميل المحاليل المائية والزيتية في محاقن منفصلة متصلة بالجهاز. ابدأ تشغيل مضخة المحقنة لمرحلة الزيت بمعدل تدفق 160 ميكرولتر في الدقيقة. بعد أن يملأ الزيت القناة ، ابدأ المرحلة المائية عند 80 ميكرولتر في الدقيقة.تحقق من تكوين القطيرات تحت المجهر. اجمع القطرات في حاوية ، وقم بتقييمها في غرفة التصوير عن طريق التصوير المجهري الضوئي. احتفظ بالقطرات عند أربع درجات مئوية طوال الليل مع حمايتها من الضوء لبدء التشابك المادي ل GelMA microgel وتحويل القطرات إلى كبسولات هلامية مستقرة.لتنفيذ طريقة MEtoP من مستحلب إلى مسحوق ، قم بجمع المواد الهلامية المتشابكة ماديا في السائل الهندسي باستخدام أنابيب طرد مركزي دقيقة متينة حراريا أو cryovials. أغلق الأنبوب المفتوح بمسح وشريط مختبري. قم بتجميد الهلام المتشابك جسديا في النيتروجين السائل لمدة 10 دقائق للمضي قدما في التجفيد.بعد التجفيد ، سيتم الحصول على مسحوق صلب. أضف ملليلتر واحد من محلول البادئ الضوئي المبرد بنسبة 0.1٪ عند أربع درجات مئوية إلى المسحوق المجفف بالتجميد لعمل معلقات ميكروجيل. أجهزة الطرد المركزي الخليط الدوامي في 3،000g لمدة 15 ثانية.بعد التخلص من المادة الطافية ، انقل تعليق الميكروجيل المعبأ إلى قالب باستخدام ماصة إزاحة موجبة ، وقم بتعريضه للضوء بطول موجي 400 نانومتر بكثافة 15 مللي واط لكل سنتيمتر مربع لمدة 60 ثانية لتشكيل سقالات هيدروجيل حبيبية أو GHS. بالنسبة ل 400 ميكرولتر من معلق الميكروجيل ، أضف كمية متساوية من محلول PFO المثلج البارد ، 20٪ في السائل الهندسي إلى الهلاميات الدقيقة GelMA المتشابكة جسديا. ثم قم بطرد الخليط الدوامي عند 300 جرام لمدة 15 ثانية ، وقم بإزالة مرحلة الزيت من الهلاميات الدقيقة GelMA عن طريق الماصة.ثم أضف 400 ميكرولتر من محلول المثلج البارد ، 0.1٪ ضوئي إلى تعليق microgel. بعد الطرد المركزي للمحلول الدوامي عند 300 جرام لمدة 15 ثانية ، تخلص من الزيت. كرر خطوات إضافة محلول البادئ الضوئي والطرد المركزي ، ولكن الطرد المركزي عند 3،000 جرام هذه المرة وتخلص من المادة الطافية للهلام الدقيق GelMA المعبأ.انقل المواد الهلامية الدقيقة GelMA المعبأة إلى قالب ، متبوعا بالتعرض للضوء لتشكيل GHS. أضف 100 ملليغرام من مسحوق الصفائح الدموية النانوية إلى ثلاثة ملليلتر من الماء المثلج النقي للغاية لتشكيل تشتت الجسيمات النانوية بنسبة 3.33٪. دوامة التشتت بقوة داخل ثلاجة أربع درجات مئوية لمدة 15 دقيقة لتقشير الجسيمات النانوية المجمعة.تنتج الجسيمات النانوية المقشرة بشكل صحيح تشتتا واضحا. قم بإذابة 50 ملليغرام من LAP في خمسة ملليلتر من الماء المثلج عالي النقاء لتحضير محلول مخزون ضوئي بنسبة 1٪. ثم أضف 333 ميكرولترا من محلول بادئ ضوئي 1٪ إلى تشتت الجسيمات النانوية المقشرة ، ولفها بورق الألمنيوم للحماية من الضوء المحيط.دوامة الخليط لمدة دقيقة واحدة لخلط تشتت الجسيمات النانوية والبادئ الضوئي. أضف PFO المثلج البارد ، 20٪ في السائل الهندسي إلى الهلاميات الدقيقة GelMA المتشابكة جسديا بنسبة حجم واحد إلى واحد. بعد الطرد المركزي للخليط الدوامي عند 300 جرام لمدة 15 ثانية ، تخلص من مرحلة الزيت التي تحتوي على الفاعل بالسطح.أضف تشتت الجسيمات النانوية الباردة المكملة ب LAP إلى الهلاميات الدقيقة GelMA المغسولة. بعد الطرد المركزي عند 3،000 جرام لمدة 15 ثانية ، تخلص من الزيت المتبقي في القاع وتشتت المادة الطافية. قم بتخزين التعليق عند أربع درجات مئوية مع حمايته من الضوء باستخدام رقائق الألومنيوم لمدة يوم واحد لإنتاج المنتج GelMA الحبر الحيوي الحبيبي النانوي أو NGB.في اليوم التالي ، قم بتحميل NGB في حقنة سعة ثلاثة ملليلترات. أغلق المحقنة المحملة بغطاء وبارافيلم ، وقم بالطرد المركزي النبضي عند 200 جرام لإزالة الهواء المحبوس. انقل الحبر الحيوي إلى خرطوشة سعة ثلاثة ملليلتر باستخدام موصل قفل Luer أنثى أنثى.قم بطرد الخرطوشة لفترة وجيزة عند 200 جرام مرة أخرى لإزالة الهواء المحبوس ، والحفاظ على NGB عند أربع درجات مئوية قبل الاستخدام. بعد ذلك ، قم بتحميل تعليق خلية الخلايا الليفية للفأرة المحضرة في حقنة سعة ثلاثة ملليلترات. قم بإقران NGB والمحاقن المحملة بالخلايا باستخدام موصل قفل Luer للإناث والإناث ، وامزج المحتويات برفق عن طريق الدفع ذهابا وإيابا 40 مرة.اطبع NGB أو NGB المحمل بالخلايا باستخدام طابعة حيوية مناسبة مع فوهة مخروطية قياسية عن طريق تحميل الفوهة في رأس الطباعة سعة ثلاثة ملليلترات. حافظ على درجة حرارة قاعدة الطباعة أقل من 10 درجات مئوية ، وقم بتحسين المعلمات مثل السرعة والضغط الخلفي. حدد ملف gcode أو STL المرغوب فيه.ثم حدد الركيزة ونوع الفوهة لحقنة هوائية سعة ثلاثة ملليلتر مزودة بفوهة مخروطية قياسية. قم بمعايرة الطابعة الحيوية باستخدام إرشادات الجهاز ، وابدأ الطباعة للحصول على هياكل 3D. أنتجت تقنية MEtoP مسحوق ميكروجل مجفف قابل لإعادة الامتصاص عن طريق التجفيف بالتجميد بالضغط المنخفض مع حماية الهلاميات الدقيقة من التجميع والتشوه الشديد.أظهرت صور SEM أن الجسيمات الدقيقة GelMA المجففة باستخدام هذه التقنية تحتفظ بشكلها الكروي بعد التجفيد مقارنة بالتجميع الذي لوحظ مع التجفيد التقليدي. أظهر توصيف المسام الدقيقة ل GelMA و GHS و NGB مع صبغة مضان عالية الوزن الجزيئي مساحات الفراغ المجهرية المترابطة. أيضا ، اكتشفت الصورة الفلورية التي تم تقييمها باستخدام برنامج نصي MATLAB مكتوب خصيصا المسام.لم تظهر قياسات القطر المكافئ للجزء الفراغي ومتوسط المسام أي فرق كبير يشهد على توفر وربط المسام المجهرية في السقالات المطبوعة 3D باستخدام NGB. كشف تفوق سقالات NGB على الهلاميات الدقيقة GelMA المعبأة بإحكام وفضفاضة من خلال قياس طول الفتيل المعلق أن NGB كان له طول أكبر من الهلاميات الدقيقة المعبأة. لم تسفر الهلاميات الدقيقة المعبأة بشكل فضفاض عن خيوط.كانت الأسطوانة المجوفة مطبوعة بتقنية 3D ، وتعرض البناء بأكمله للضوء من أجل الربط الضوئي. تم الاحتفاظ بالهيكل المطبوع فعليا لإظهار الشكل والإخلاص والسلامة الهيكلية. إذا تم استخدام السقالة للتقييم البيولوجي ، على سبيل المثال ، في الطباعة الحيوية المحملة بالخلايا ، تذكر تنفيذ جميع الخطوات في ظل ظروف معينة ، تحت خزانة السلامة البيولوجية.نأمل في إلغاء تسويق استخدام سقالات الهيدروجيل الحبيبية كمنصة للمواد الحيوية الناشئة حديثا في الطب الحيوي.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

3D Hydrogel Scaffolds for Articular Chondrocyte Culture and Cartilage Generation

3D هيدروجيل السقالات لالمفصلي خلية غضروفية الثقافة والجيل الغضروف

Human articular cartilage is highly susceptible to damage and has limited self-repair and regeneration potential. Cell-based strategies to engineer ...

Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink

Bioprinting Cellularized التركيبات باستخدام الأنسجة محددة هيدروجيل Bioink

Bioprinting has emerged as a versatile biofabrication approach for creating tissue engineered organ constructs. These constructs have potential use as ...

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization

بيوبرينتينج الغضاريف والجلد الأنسجة النظير استخدام سلبية رواية خلط وحدة تقنية بريسيلولاريزيشن بيوينك

Bioprinting is a powerful technique for the rapid and reproducible fabrication of constructs for tissue engineering applications. In this study, both ...

Bioprintable Alginate/Gelatin Hydrogel 3D In Vitro Model Systems Induce Cell Spheroid Formation

Bioprintable Alginate/Gelatin Hydrogel 3D In Vitro Model Systems Induce Cell Spheroid Formation

بيوبرينتابل الجينات/الجيلاتين المائية 3D في المختبر النموذجي النظم الحث على تشكيل خلية كروي

The cellular, biochemical, and biophysical heterogeneity of the native tumor microenvironment is not recapitulated by growing immortalized cancer cell ...

3D Printed Porous Cellulose Nanocomposite Hydrogel Scaffolds

3D طبع السقالات السليلوز المسامية المائية نانوي

This work demonstrates the use of three-dimensional (3D) printing to produce porous cubic scaffolds using cellulose nanocomposite hydrogel ink, with ...

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 ...

Preparation and Characterization of Graphene-Based 3D Biohybrid Hydrogel Bioink for Peripheral Neuroengineering

إعداد وتوصيف الحبر الحيوي الهجين الحيوي 3D القائم على الجرافين للهندسة العصبية الطرفية

Peripheral neuropathies can occur as a result of axonal damage, and occasionally due to demyelinating diseases. Peripheral nerve damage is a global ...

Interlinked Macroporous 3D Scaffolds from Microgel Rods

سقالات 3D مترابطة من قضبان Microgel

A two-component system of functionalized microgels from microfluidics allows for fast interlinking into 3D macroporous constructs in aqueous solutions ...

Synthesis of Strong Adhesive Hydrogel, Gelatin O-Nitrosobenzaldehyde

تخليق هيدروجيل لاصق قوي ، جيلاتين O-نيتروسوبنزالديهيد

Adhesive materials have become popular biomaterials in the field of biomedical and tissue engineering. In our previous work, we presented a new material - ...

Agarose Fluid Gels Formed by Shear Processing During Gelation for Suspended 3D Bioprinting

المواد الهلامية السائل Agarose التي تشكلت عن طريق معالجة القص أثناء الهلام للطباعة الحيوية 3D علقت

The use of granular matrices to support parts during the bioprinting process was first reported by Bhattacharjee et al. in 2015, and since then, several ...