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

Die Autoren bedanken sich bei T. Pond, Spezialist für Forschungsunterstützung am Department of Chemical Engineering der Pennsylvania State University (Penn State), den Mitarbeitern des Nanofabrication Lab an der Penn State University und Dr. J. de Rutte von Partillion Bioscience für die Hilfe und Diskussion über Nanofabrikationsprozesse. A. Sheikhi bedankt sich für die Unterstützung des Materials Research Institute (MRI) und des College of Engineering Materials Matter at the Human Level Seed Grants, des Convergence Center for Living Multifunctional Material Systems (LiMC2) und des Exzellenzclusters Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) Living Multifunctional Materials Collaborative Research Seed Grant Program sowie des Startup-Fonds von Penn State. Die in dieser Publikation berichtete Forschung wurde teilweise vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) der National Institutes of Health (NIH) unter der Auszeichnungsnummer R56EB032672 unterstützt.

HINWEIS: In der Materialtabelle finden Sie Einzelheiten zu allen Materialien, Instrumenten und Reagenzien, die in diesem Protokoll verwendet werden.
1. GelMA-Synthese
HINWEIS: Die GelMA-Synthese sollte in einem chemischen Abzug durchgeführt werden, und es sollte ständig geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) verwendet werden.
<ol><li>200 ml phosphatgepufferte Kochsalzlösung (DPBS, 1x) von Dulbecco werden in einen Erlenm...

<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>

Gelatine und ihre Derivate sind die am häufigsten verwendeten proteinbasierten Biomaterialien für die HMP-Herstellung. Die Herausforderung des Kompromisses zwischen Durchsatz und Partikelgröße kann mit mikrofluidischen Geräten zur Stufenemulgierung überwunden werden. Diese Geräte sind in der Lage, mehr als 40 Millionen Tröpfchen pro Stunde zu bilden, mit einem Variationskoeffizienten von weniger als 5%27. In diesem Artikel haben wir die Mikrofabrikation von Tröpfchen, die GelMA-Lösungen ...

Der Zusammenbau von HMP-Bausteinen zu Tissue-Engineering-Gerüsten hat in den letzten Jahren enorme Aufmerksamkeit erregt1. GHS, die durch HMP-Assemblierung hergestellt werden, haben im Vergleich zu ihren Gegenstücken einzigartige Eigenschaften, einschließlich der Mikroporosität im Zellmaßstab, die von den Hohlräumen zwischen den diskreten Bausteinen herrührt. Zusätzliche Eigenschaften wie Injektionsfähigkeit, Modularität und entkoppelte Steifigkeit von Porosität machen GHS zu einer vielversprechenden Plattform zur Verbesserung der Gewebereparatur und -regeneration2. Für die GHS-Herstellung wurden verschiedene Biomaterialien verwendet, darunter synthetische Polymere auf PEG-Basis3,4 und Polysaccharide wie Alginat5 und Hyaluronsäure 6,7. Unter den natürlich gewonnenen Polymeren ist GelMA 8,9,10,11 das gebräuchlichste proteinbasierte Biopolymer für die GHS-Herstellung, ein vernetzbares, biokompatibles, bioadhäsives und biologisch abbaubares Biomaterial 12,13.
HMPs können durch Batch-Emulgierung8, Flow-Focusing 14,15 oder Stufen-Emulgierung9,11 Mikrofluidik-Vorrichtungen, Mischen 16 oder komplexe Koazervation17,18 hergestellt werden. In der Regel gibt es einen Kompromiss zwischen dem Herstellungsdurchsatz und der HMP-Monodispersität. Zum Beispiel liefert die Mischtechnik unregelmäßig geformte und stark polydispergierte HMPs. Die Batch-Emulgierung oder komplexe Koazervation ermöglicht die Herstellung großer Mengen von polydispergierten sphärischen HMPs. Strömungsfokussierende mikrofluidische Geräte wurden verwendet, um hochgradig monodisperse Tröpfchen mit einem Variationskoeffizienten von <5% herzustellen, der Durchsatz ist jedoch signifikant gering. In mikrofluidischen Bauelementen zur Stufenemulgierung ermöglichen die hochparallelisierten Schritte die Hochdurchsatzfertigung von monodispersen HMPs19.
HMP-Bausteine aus Methacryloyl-modifizierter Gelatine (GelMA) sind thermoresponsive und (photo-)chemisch vernetzbar, was eine einfache GHS-Herstellung ermöglicht20. Beim Abkühlen unter die obere kritische Lösungstemperatur (UCST)21 (z. B. bei 4 °C) werden Tröpfchen, die eine GelMA-Lösung enthalten, in physikalisch vernetzte HMPs umgewandelt. Diese HMP-Bausteine werden dann mit äußeren Kräften (z. B. durch Zentrifugation) gepackt, um gestaute Mikrogelsuspensionen zu erhalten. Interpartikuläre Bindungen werden zwischen benachbarten HMPs durch (photo-)chemische Vernetzung hergestellt, um mechanisch robustes GHS14 zu bilden. Eine der wichtigsten Eigenschaften von GHS ist die Mikroporosität, die eine einfache Zellpenetration in vitroermöglicht 11 und ein verstärktes Einwachsen von Gewebe in vivo22. Das dreidimensionale (3D) Bioprinting von HMPs wird herkömmlicherweise unter Verwendung dicht gepackter Mikrogelsuspensionen durchgeführt, wodurch die Mikroporosität beeinträchtigtwird 23.
Wir haben kürzlich eine neuartige Klasse von granularen Biotinten entwickelt, die auf dem Grenzflächen-Nanoengineering von GelMA-Mikrogelen über die Adsorption von heterogen geladenen Nanopartikeln basiert, gefolgt von einer reversiblen Selbstorganisation von Nanopartikeln. Diese Strategie macht lose verpackte Mikrogele scherfähig und extrusionsfähig 3D-biodruckbar, wodurch die mikroskalige Porosität von additiv hergestelltem GHS11 erhalten bleibt. In diesem Artikel werden die Methoden für die Herstellung von GelMA-Tröpfchen mit hohem Durchsatz, die Umwandlung dieser Tröpfchen in physikalisch vernetzte HMPs, die Herstellung von GelMA-HMPs unter Verwendung von resuspendierbarem Pulver, die GelMA GHS-Bildung, die Herstellung von GelMA-Nano-Granulat-Biotinte (NGB) und das 3D-Bioprinting vorgestellt.

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

Das Aufkommen von granularen Hydrogelgerüsten (GHS), die durch die Assemblierung von Hydrogel-Mikropartikeln (HMPs) hergestellt werden, hat die Bildung von mikroporösen Gerüsten in situ ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bulk-Hydrogelen erleichtern miteinander verbundene mikroskalige Poren in GHS die abbauunabhängige Zellinfiltration sowie den Transfer von Sauerstoff, Nährstoffen und zellulären Nebenprodukten. Methacryloyl-modifizierte Gelatine (GelMA), ein (photo)chemisch vernetzbares, proteinbasiertes Biopolymer, das Zellklebstoff und biologisch abbaubare Einheiten enthält, wird häufig als zellresponsives/instruktives Biomaterial verwendet. Die Umwandlung von GelMA in GHS kann eine Fülle von Möglichkeiten für das Tissue Engineering und die Regeneration eröffnen. In diesem Artikel demonstrieren wir die Verfahren der Hochdurchsatz-GelMA-Mikrogelherstellung, der Umwandlung in resuspendierbare trockene Mikrogele (Mikro-Aerogele), der GHS-Bildung durch die chemische Assemblierung von Mikrogelen und der granularen Biotintenherstellung für das Extrusions-Bioprinting. Wir zeigen, wie eine sequentielle physikalisch-chemische Behandlung durch Kühlung und Photovernetzung die Bildung von mechanisch robustem GHS ermöglicht. Wenn Licht nicht zugänglich ist (z. B. während der Tiefengewebsinjektion), können individuell vernetzte GelMA-HMPs durch enzymatische Vernetzung unter Verwendung von Transglutaminasen bioorthogonal zusammengesetzt werden. Schließlich wird das dreidimensionale (3D) Bioprinting von mikroporösem GHS bei niedriger HMP-Packungsdichte über die Grenzflächen-Selbstorganisation heterogen geladener Nanopartikel demonstriert.

GelMA wurde durch die Reaktion von Gelatine mit MA synthetisiert, wie in Abbildung 1A dargestellt. Durch Anpassung der Reaktionsbedingungen, wie z.B. der MA-Konzentration, wurden unterschiedliche Grade der MA-Substitution erhalten. Um den Grad der MA-Substitution zu quantifizieren, wurde GelMA mittels 1-H-NMR-Spektroskopie bewertet (Abbildung 1B). Vinylfunktionelle Gruppen mit repräsentativen Peaks bei den chemischen Verschiebungen von ~5-6 ...

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

Dieser Artikel beschreibt Protokolle für die Herstellung von Gelatine-Methacryloyl-Mikrogelen mit hohem Durchsatz unter Verwendung mikrofluidischer Geräte, die Umwandlung von Mikrogelen in resuspendierbares Pulver (Mikroaerogele), die chemische Anordnung von Mikrogelen zu körnigen Hydrogelgerüsten und die Entwicklung von körnigen Hydrogel-Biotinten mit erhaltener Mikroporosität für den 3D-Biodruck.

Gelatine-Methacryloyl-Hydrogel-Gerüste: Hochdurchsatz-Mikrogelherstellung, Gefriertrocknung, chemische Assemblierung und 3D-Bioprinting

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

Extrazelluläre Matrix oder numerische ECM-Hydrogel-Mikropartikel können als Bausteine für die Gerüstherstellung verwendet werden. Dieses Protokoll demonstriert die Herstellung, Reinigung, Gefriertrocknung, Fotomontage und 3D-Bioprinting von Gelatine-Methacryloyl- oder GelMA-Hydrogel-Mikropartikeln. GelMA ist ein photochemisch vernetzbares, proteinbasiertes Biopolymer, das Zellklebstoff und biologisch abbaubare Einheiten enthält und als zellresponsives und lehrreiches Biomaterial weit verbreitet ist.Im Vergleich zu herkömmlichem Bulk-Hydrogel sind GelMA-Hydrogel-Gerüste mikroporös und ermöglichen eine schnelle Zellinfiltration, die an die Bausteingröße angepasst werden kann. GelMA granulare Hydrogel-Gerüste können neue Möglichkeiten für das 3D-Bioprinting von dicken Geweben, Organen und Krankheiten auf billigen Plattformen und regenerativem Engineering eröffnen. Fügen Sie zunächst 10 Milligramm LAP zu 10 Millilitern DPBS hinzu, um eine 0,1%ige Photoinitiatorlösung herzustellen.Schützen Sie die Lösung vor Licht, indem Sie sie mit Aluminiumfolie umwickeln und beschriften. Als nächstes wird die gewünschte Menge GelMA in der Photoinitiatorlösung gelöst. Legen Sie die in Aluminiumfolie eingewickelte Lösung für eine Stunde in den 37-Grad-Celsius-Ofen, um eine klare Lösung zu erhalten.Um die Ölphase vorzubereiten, stellen Sie eine 2%ige biokompatible Tensidlösung in der technischen Flüssigkeit her. Führen Sie den Tygon-Schlauch in die Ein- und Auslässe des PDMS-Geräts ein und führen Sie dann eine 25-Gauge-Stumpfnadel in das andere Ende des Tygon-Schlauchs für die Einlässe ein. Stellen Sie das Gerät unter das Mikroskop und halten Sie die Umgebung mit einem Haartrockner oder einer Raumheizung bei ca. 40 Grad Celsius warm.Laden Sie die wässrigen und öligen Lösungen in separate Spritzen, die an das Gerät angeschlossen sind. Starten Sie die Spritzenpumpe für die Ölphase mit einer Durchflussrate von 160 Mikrolitern pro Minute. Nachdem Öl den Kanal gefüllt hat, beginnen Sie die wässrige Phase mit 80 Mikrolitern pro Minute.Überprüfen Sie die Tröpfchenbildung unter dem Mikroskop. Sammeln Sie die Tröpfchen in einem Behälter und werten Sie sie in der Bildgebungskammer durch optische Mikroskopie aus. Halten Sie die Tröpfchen über Nacht bei vier Grad Celsius und schützen Sie sie gleichzeitig vor Licht, um die physikalische Vernetzung des GelMA-Mikrogels zu initiieren und die Tröpfchen in stabile Mikrogele umzuwandeln.Um die mikrotechnische Emulsion-zu-Pulver-Methode (MEtoP) zu implementieren, sammeln Sie die physikalisch vernetzten Mikrogele in der technischen Flüssigkeit unter Verwendung von thermisch haltbaren Mikrozentrifugenröhrchen oder Kryozellen. Verschließen Sie das offene Röhrchen mit einem Labortuch und Klebeband. Die physikalisch vernetzten Mikrogele werden 10 Minuten lang in flüssigem Stickstoff tiefgefroren, um mit der Gefriertrocknung fortzufahren.Nach der Gefriertrocknung wird ein festes Pulver erhalten. Fügen Sie dem lyophilisierten Pulver einen Milliliter gekühlte, 0,1%ige Photoinitiatorlösung bei vier Grad Celsius hinzu, um Mikrogelsuspensionen herzustellen. Zentrifugieren Sie die gewirbelte Mischung bei 3.000 g für 15 Sekunden.Nachdem Sie den Überstand verworfen haben, übertragen Sie die verpackte Mikrogelsuspension mit einer Verdrängungspipette in eine Form und setzen Sie sie 60 Sekunden lang Licht mit einer Wellenlänge von 400 Nanometern mit einer Intensität von 15 Milliwatt pro Quadratzentimeter aus, um körnige Hydrogelgerüste oder GHS zu bilden. Für 400 Mikroliter Mikrogelsuspension wird eine gleiche Menge eiskalter PFO-Lösung, 20 % in technischer Flüssigkeit, zu den physikalisch vernetzten GelMA-Mikrogelen gegeben. Zentrifugieren Sie dann die gewirbelte Mischung bei 300 g für 15 Sekunden und entfernen Sie die Ölphase durch Pipettieren aus den GelMA-Mikrogelen.Geben Sie dann 400 Mikroliter eiskalte, 0,1%ige Photoinitiatorlösung in die Mikrogelsuspension. Nachdem Sie die Wirbellösung 15 Sekunden lang bei 300 g zentrifugiert haben, entsorgen Sie das Öl. Wiederholen Sie die Schritte der Zugabe und Zentrifugation der Photoinitiatorlösung, aber zentrifugieren Sie diesmal bei 3.000 g und entsorgen Sie den Überstand der verpackten GelMA-Mikrogele.Übertragen Sie die verpackten GelMA-Mikrogele in eine Form und belichten Sie sie anschließend, um das GHS zu bilden. Fügen Sie 100 Milligramm Nanoplättchenpulver zu drei Millilitern eiskaltem, hochreinem Wasser hinzu, um eine 3,33%ige Nanopartikeldispersion zu bilden. Wirbeln Sie die Dispersion 15 Minuten lang kräftig in einem Kühlschrank mit vier Grad Celsius, um die aggregierten Nanopartikel zu entfernen.Richtig gepeelte Nanopartikel ergeben eine klare Dispersion. Lösen Sie 50 Milligramm LAP in fünf Millilitern eiskaltem, hochreinem Wasser auf, um eine 1%ige Photoinitiator-Stammlösung herzustellen. Geben Sie dann 333 Mikroliter 1%ige Photoinitiatorlösung in die abgeblätterte Nanopartikeldispersion und wickeln Sie sie zum Schutz vor Umgebungslicht in Aluminiumfolie ein.Wirbeln Sie die Mischung eine Minute lang, um die Nanopartikeldispersion und den Photoinitiator zu mischen. Fügen Sie den physikalisch vernetzten GelMA-Mikrogelen eiskaltes PFO, 20 % in technischer Flüssigkeit, in einem Volumenverhältnis von eins zu eins hinzu. Nachdem Sie das gewirbelte Gemisch 15 Sekunden lang bei 300 g zentrifugiert haben, verwerfen Sie die Ölphase, die das Tensid enthält.Fügen Sie die eiskalte, LAP-ergänzte Nanopartikel-Dispersion zu den gewaschenen GelMA-Mikrogelen hinzu. Nach dem Zentrifugieren bei 3.000 g für 15 Sekunden das restliche Öl am Boden und die überstehende Dispersion verwerfen. Lagern Sie die Suspension einen Tag lang bei vier Grad Celsius und schützen Sie sie vor Licht mit Aluminiumfolie, um das Produkt GelMA nanoengineered granular bioink oder NGB zu erhalten.Laden Sie den NGB am nächsten Tag in eine Drei-Milliliter-Spritze. Verschließen Sie die beladene Spritze mit einer Kappe und einem Parafilm und führen Sie eine Impulszentrifugation bei 200 g durch, um die eingeschlossene Luft zu entfernen. Übertragen Sie die Biotinte in eine Drei-Milliliter-Kartusche, indem Sie einen weiblichen Luer-Lock-Anschluss verwenden.Zentrifugieren Sie die Kartusche erneut kurz bei 200 g, um die eingeschlossene Luft zu entfernen, und halten Sie den NGB vor Gebrauch bei vier Grad Celsius. Als nächstes laden Sie die vorbereitete murine Fibroblastenzellsuspension in eine Drei-Milliliter-Spritze. Koppeln Sie die NGB- und die zellbeladenen Spritzen mit einem weiblich-weiblichen Luer-Lock-Anschluss und mischen Sie den Inhalt vorsichtig, indem Sie ihn 40 Mal hin und her schieben.Drucken Sie den NGB oder den mit Zellen beladenen NGB mit einem geeigneten Bioprinter mit einer konischen Standarddüse, indem Sie die Düse in den Drei-Milliliter-Druckkopf laden. Halten Sie die Druckbetttemperatur unter 10 Grad Celsius und optimieren Sie Parameter wie Geschwindigkeit und Gegendruck. Wählen Sie die gewünschte gcode- oder STL-Datei aus.Wählen Sie dann das Substrat und den Düsentyp für eine pneumatische Drei-Milliliter-Spritze aus, die mit einer konischen Standarddüse ausgestattet ist. Kalibrieren Sie den Bioprinter anhand der Geräterichtlinien und beginnen Sie mit dem Drucken, um die 3D-Strukturen zu erhalten. Die MEtoP-Technologie lieferte resuspendierbares getrocknetes Mikrogelpulver durch Niederdruck-Gefriertrocknung und schützte gleichzeitig die Mikrogele vor Aggregation und starker Verformung.Die REM-Bilder zeigten, dass die getrockneten GelMA-Mikropartikel mit dieser Technologie nach der Lyophilisation ihre sphärische Form behalten, verglichen mit der Aggregation, die bei der konventionellen Lyophilisation beobachtet wurde. Die Mikroporencharakterisierung von GelMA, GHS und NGB mit einem hochmolekularen Fluoreszenzfarbstoff zeigte die miteinander verbundenen mikroskaligen Hohlräume. Auch das Fluoreszenzbild, das mit einem eigens geschriebenen MATLAB-Skript bewertet wurde, erkannte die Poren.Die Messungen des Hohlraumanteils und des mittleren Porenäquivalentdurchmessers zeigten keinen signifikanten Unterschied, was die Verfügbarkeit und Interkonnektivität von mikroskaligen Poren in den 3D-gedruckten Gerüsten unter Verwendung des NGB bestätigt. Die Überlegenheit von NGB-Gerüsten gegenüber dicht und locker gepackten GelMA-Mikrogelen durch die Messung der hängenden Filamentlänge zeigte, dass NGB eine größere Länge als die gepackten Mikrogele aufwies. Die lose gepackten Mikrogele ergaben keine Filamente.Ein Hohlzylinder wurde 3D-gedruckt, und das gesamte Konstrukt wurde zur Photovernetzung mit Licht belichtet. Die gedruckte Struktur wurde physisch gehalten, um die Form, Treue und strukturelle Integrität zu zeigen. Wenn das Gerüst für die biologische Bewertung verwendet wird, z. B. beim zellbeladenen Bioprinting, denken Sie daran, alle Schritte unter bestimmten Bedingungen unter der biologischen Sicherheitswerkbank durchzuführen.Wir hoffen, die Verwendung von granulären Hydrogel-Gerüsten als neu entstandene Biomaterialplattform in der Biomedizin zu vermarkten.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

3D Hydrogel Scaffolds for Articular Chondrocyte Culture and Cartilage Generation

3D-Hydrogel Scaffolds für Articular Chondrozyten-Kultur und Knorpel-Generation

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

Forschung

Biotechnik

Bioprinting Cellularized Constructs Using a Tissue-specific Hydrogel Bioink

Bioprinting cellularized Konstruiert unter Verwendung eines gewebespezifischen Hydrogel 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

Bioprinting von Knorpel und Haut-Gewebe-Analoga nutzen eine neuartige Passive Einheit Mischtechnik für Bioink Precellularization

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

Bioprintable Alginat/Gelatine Hydrogel 3D In-vitro- Modellsysteme induzieren Sphäroid Zellbildung

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-Druck poröse Zellulose Nanocomposites Hydrogel Gerüste

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

Protokolle des 3D-Bioprintings von Gelatine Methacryloyl Hydrogel-basierten Bioinks

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

Herstellung und Charakterisierung von Graphen-basierter 3D-Biohybrid-Hydrogel-Biotinte für das periphere Neuroengineering

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

Vernetzte makroporöse 3D-Gerüste aus Mikrogelstäben

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

Synthese von stark adhäsivem Hydrogel, Gelatine O-Nitrosobenzaldehyd

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

Agarose-Flüssiggele, die durch Scherverarbeitung während der Gelierung für suspendierten 3D-Biodruck gebildet werden

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 ...