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

המחברים רוצים להודות לט' פונד, מומחה לתמיכה במחקר במחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת פנסילבניה סטייט (פן סטייט), לצוות מעבדת הננו-פבריקציה בפן סטייט, ולד"ר ג'יי דה רוטה מ-Partillion Bioscience על העזרה והדיון בנוגע לתהליכי ננו-פבריקציה. א. שייח'י מודה על תמיכתם של המכון לחקר חומרים (MRI) והמכללה לחומר הנדסי במענקי זרעים ברמה האנושית, מרכז ההתכנסות למערכות חומרים רב-תכליתיות חיות (LiMC2) ואשכול המצוינות בחיים, מערכות חומרים אדפטיביות ואוטונומיות אנרגיה (livMatS) חומרים חיים רב-תכליתיים תוכנית מענקי זרעים למחקר שיתופי, וקרן הסטארט-אפ מפן סטייט. המחקר שדווח בפרסום זה נתמך חלקית על ידי המכון הלאומי לדימות ביו-רפואי וביו-הנדסה (NIBIB) של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) תחת פרס מספר R56EB032672.

הערה: עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים הקשורים לכל החומרים, המכשירים והריאגנטים המשמשים בפרוטוקול זה.
1. סינתזת GelMA
הערה: סינתזת GelMA צריכה להתבצע במכסה אדים כימי, ויש להשתמש בציוד מגן אישי מתאים (PPE) כל הזמן.
<ol><li>הוסף 200 מ"ל של מלח חוצץ פוספט של Dul...

<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>

ג'לטין ונגזרותיו הם הביו-חומרים מבוססי החלבון הנפוצים ביותר לייצור HMP. ניתן להתגבר על האתגר של תפוקה לעומת גודל חלקיקים, ניתן להתגבר על פשרה באמצעות התקנים מיקרופלואידים של תחליב צעדים. מכשירים אלה מסוגלים ליצור יותר מ -40 מיליון טיפות בשעה, עם מקדם שונות פחות מ -5% 27. במאמר זה דנו...

הרכבת אבני בניין של HMP ליצירת פיגומים הנדסיים לרקמות זכתה לתשומת לב עצומה בשנים האחרונות1. GHS, המיוצרים באמצעות הרכבת HMP, הם בעלי תכונות ייחודיות בהשוואה למקביליהם בתפזורת, כולל מיקרופורוזיות בקנה מידה תאי שמקורן בחללים החלקיים בין אבני הבניין הבדידות. תכונות נוספות, כגון יכולת הזרקה, מודולריות ונוקשות מנותקת מנקבוביות, הופכות את GHS לפלטפורמה מבטיחה לשיפור תיקון רקמות והתחדשות2. ביו-חומרים שונים שימשו לייצור GHS, כולל פולימרים סינתטיים מבוססי PEG3,4 ורב-סוכרים, כגון אלגינט5 וחומצה היאלורונית 6,7. מבין הפולימרים ממקור טבעי, הביופולימר מבוסס החלבון הנפוץ ביותר לייצור GHS הוא GelMA 8,9,10,11, חומר ביולוגי12,13 הניתן להצלבה, תואם ביולוגית, דבק ביולוגי ומתכלה.
ניתן לייצר HMPs באמצעות תחליב אצווה8, מיקוד זרימה 14,15 או תחליב שלב9,11 התקנים מיקרופלואידים, ערבוב 16, או coacervationמורכב 17,18. בדרך כלל, יש פשרה בין תפוקת הייצור לבין חד-פיזור HMP. לדוגמה, טכניקת המיזוג מניבה HMPs בעלי צורה לא סדירה ומפוזרים מאוד. תחליב אצווה או קו-סרבציה מורכבת מאפשר ייצור של כמויות גדולות של HMPs כדוריים רב-מפוזרים. התקנים מיקרופלואידים ממוקדי זרימה שימשו לייצור טיפות חד-פזורות מאוד עם מקדם שונות של <5%, אולם התפוקה נמוכה משמעותית. בהתקנים מיקרופלואידים של תחליב צעדים, השלבים המקביליים מאוד מאפשרים ייצור בתפוקה גבוהה של HMPsחד-מפוזרים 19.
אבני הבניין של HMP מג'לטין מעובד Methacryloyl (GelMA) מגיבות לחום וניתנות להצלבה כימית, מה שמאפשר ייצור GHS קל20. עם קירור מתחת לטמפרטורת התמיסה הקריטית העליונה (UCST)21 (למשל, ב-4°C), טיפות המכילות תמיסת GelMA מומרות לקופות חולים מוצלבות פיזית. אבני בניין אלה של HMP נארזות לאחר מכן באמצעות כוחות חיצוניים (למשל, באמצעות צנטריפוגה) כדי להניב מתלי מיקרוג'ל תקועים. קשרים בין חלקיקים נוצרים בין HMPs סמוכים באמצעות קרוסלינקינג כימי (פוטו) ליצירת GHS14 חזק מכנית. אחת התכונות החשובות ביותר של GHS היא מיקרופורוזיות, המאפשרת חדירה קלה של תאים במבחנה11 וצמיחה מוגברת של רקמות in vivo22. הדפסה ביולוגית תלת-ממדית (תלת-ממדית) של HMPs מתבצעת באופן קונבנציונלי באמצעות מתלי מיקרו-ג'ל צפופים, תוך התפשרות על מיקרו-נקבוביות23.
לאחרונה פיתחנו סוג חדש של ביו-דיו גרעיני המבוסס על ננו-הנדסה בין-פנים של מיקרו-ג'לים GelMA באמצעות ספיחה של ננו-חלקיקים טעונים הטרוגנית, ולאחר מכן הרכבה עצמית הפיכה של ננו-חלקיקים. אסטרטגיה זו הופכת מיקרו-ג'לים ארוזים באופן רופף למניבי גזירה ושחול להדפסה ביולוגית תלת-ממדית, המשמרת את הנקבוביות בקנה מידה מיקרוסקולרי של GHS11 המיוצר בתוספים. מאמר זה מציג את השיטות לייצור טיפות GelMA בתפוקה גבוהה, המרת טיפות אלה ל- HMPs מוצלבים פיזית, ייצור HMPs של GelMA באמצעות אבקה ניתנת להשעיה, היווצרות GelMA GHS, הכנת ביודיו גרעיני ננו-מהונדס של GelMA (NGB) והדפסה ביולוגית תלת-ממדית.

<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

הופעתם של פיגומי הידרוג'ל גרגיריים (GHS), המיוצרים באמצעות הרכבת מיקרו-חלקיקי הידרוג'ל (HMPs), אפשרה היווצרות פיגומים מיקרו-נקבוביים באתרם. שלא כמו הידרוג'לים קונבנציונליים בתפזורת, נקבוביות מיקרוסקוליות מחוברות זו לזו ב-GHS מאפשרות חדירת תאים שאינה תלויה בהתפרקות, כמו גם העברת חמצן, חומרים מזינים ותוצרי לוואי של תאים. ג'לטין מהונדס Methacryloyl (GelMA), ביופולימר מבוסס חלבון הניתן להצלבה כימית המכיל דבק תאים ומויטי מתכלים, נמצא בשימוש נרחב כחומר ביולוגי מגיב לתאים/מאלף. המרת GelMA בתפזורת ל- GHS עשויה לפתוח שפע של הזדמנויות להנדסת רקמות והתחדשות. במאמר זה, אנו מדגימים את ההליכים של ייצור מיקרו-ג'ל GelMA בתפוקה גבוהה, המרה למיקרו-ג'לים יבשים הניתנים להשעיה חוזרת (מיקרו-אירוג'לים), היווצרות GHS באמצעות הרכבה כימית של מיקרו-ג'לים, וייצור ביו-דיו גרעיני להדפסה ביולוגית של אקסטרוזיה. אנו מראים כיצד טיפול פיסיקוכימי רציף באמצעות קירור ופוטוקרוסלינקינג מאפשר היווצרות GHS חזק מבחינה מכנית. כאשר האור אינו נגיש (למשל, במהלך הזרקת רקמות עמוקה), ניתן להרכיב ביו-אורתוגונלים של GelMA HMPs מוצלבים בנפרד באמצעות קרוסלינקינג אנזימטי באמצעות טרנסגלוטמינאזות. לבסוף, הדפסה ביולוגית תלת-ממדית (תלת-ממדית) של GHS מיקרו-נקבובי בצפיפות אריזה נמוכה של HMP מודגמת באמצעות הרכבה עצמית בין-פנים של ננו-חלקיקים הטעונים הטרוגנית.

GelMA סונתז באמצעות התגובה של ג'לטין עם MA, כפי שמוצג באיור 1A. על ידי התאמת תנאי התגובה, כגון ריכוז MA, התקבלו דרגות שונות של החלפת MA. כדי לכמת את מידת ההחלפה של MA, GelMA הוערכה באמצעות ספקטרוסקופיית NMR של 1H (איור 1B). קבוצות פונקציונליות ויניל עם שיאים מייצג?...

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

מאמר זה מתאר פרוטוקולים לייצור מיקרו-ג'ל ג'לטין מתקרילויל בתפוקה גבוהה באמצעות התקנים מיקרופלואידים, המרת מיקרו-ג'לים לאבקה מתרחפת (מיקרו-אירוג'לים), הרכבה כימית של מיקרו-ג'לים ליצירת פיגומי הידרוג'ל גרגיריים, ופיתוח ביו-דיו הידרוג'ל גרגירי עם מיקרו-נקבוביות משומרת להדפסה ביולוגית תלת-ממדית.

פיגומי הידרוג'ל גרגיריים מג'לטין מתקרילויל: ייצור מיקרוג'ל בתפוקה גבוהה, ליופיליזציה, הרכבה כימית והדפסה ביולוגית תלת-ממדית

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

מטריצה חוץ-תאית או מיקרו-חלקיקי הידרוג'ל נומריים ECM עשויים לשמש כאבני הבניין לייצור פיגומים. פרוטוקול זה מדגים ייצור, טיהור, ליופיליזציה, הרכבת תמונות והדפסה ביולוגית תלת-ממדית של חלקיקי ג'לטין מתקרילויל או ג'ל הידרוג'ל. GelMA הוא ביופולימר פוטוכימי, ניתן להצלבה, מבוסס חלבון המכיל דבק תאים ו moieties מתכלה אשר נמצא בשימוש נרחב כחומר ביולוגי מגיב לתאים ומלמד.בהשוואה להידרוג'ל בתפזורת קונבנציונאלי, פיגומי הידרוג'ל גרגיריים של GelMA הם מיקרו-נקבוביים, ומאפשרים חדירה מהירה של תאים שניתן להתאים לפי גודל אבן הבניין. פיגומי הידרוג'ל גרעיניים של GelMA עשויים לפתוח הזדמנויות חדשות להדפסה ביולוגית תלת-ממדית של רקמות עבות, איברים ומחלות על פלטפורמות זולות והנדסה רגנרטיבית. כדי להתחיל, הוסף 10 מיליגרם של LAP ל -10 מיליליטר של DPBS כדי להכין פתרון 0.1% photoinitiator.הגן על התמיסה מפני אור על ידי עטיפתה ברדיד אלומיניום, ותייג אותה. לאחר מכן, להמיס את הכמות הרצויה של GelMA בתמיסת photoinitiator. הכניסו את התמיסה עטופה ברדיד אלומיניום לתנור של 37 מעלות צלזיוס למשך שעה לקבלת תמיסה ברורה.כדי להכין את שלב השמן, הכינו תמיסת פעילי שטח 2% תואמת ביולוגית בנוזל ההנדסי. הכנס את צינורות Tygon לכניסות ולשקעים של התקן PDMS, ולאחר מכן הכנס מחט קהה של 25 מד בקצה השני של צינורות Tygon עבור כניסות. הניחו את המכשיר מתחת למיקרוסקופ, ושמרו על חום הסביבה בטמפרטורה של כ-40 מעלות צלזיוס באמצעות מייבש שיער או מחמם חלל.טען את תמיסות המים והשמן במזרקים נפרדים המחוברים למכשיר. הפעל את משאבת המזרק לשלב השמן בקצב זרימה של 160 מיקרוליטר לדקה. לאחר שמן ממלא את התעלה, להתחיל את השלב המימי ב 80 מיקרוליטר לדקה.בדוק את היווצרות הטיפות מתחת למיקרוסקופ. אספו את הטיפות במיכל, והעריכו אותן בתא ההדמיה על ידי הדמיה במיקרוסקופ אופטי. שמור את הטיפות על ארבע מעלות צלזיוס במשך הלילה תוך הגנה עליהן מפני אור כדי להתחיל את הקישור הפיזי של מיקרוג'ל GelMA ולהמיר את הטיפות למיקרוג'לים יציבים.כדי ליישם את שיטת MEtoP של תחליב לאבקה מהונדסים, אספו את המיקרו-ג'לים המוצלבים פיזית בנוזל ההנדסי באמצעות צינורות מיקרוצנטריפוגות או קריובלים עמידים תרמית. אטמו את הצינור הפתוח בעזרת מגבון מעבדה וסרט הדבקה. הקפיאו עמוק את המיקרו-ג'לים המוצלבים פיזית בחנקן נוזלי למשך 10 דקות כדי להמשיך בליופיליזציה.לאחר ליופיליזציה, אבקה מוצקה יתקבל. הוסף מיליליטר אחד של תמיסת פוטו-איניוזם מקוררת של 0.1% בארבע מעלות צלזיוס לאבקה הליופילית כדי ליצור תרחיפים של מיקרוג'ל. צנטריפוגה את התערובת מערבולת ב 3, 000 גרם במשך 15 שניות.לאחר השלכת הסופרנטנט, מעבירים את מתלה המיקרוג'ל הארוז לתבנית באמצעות פיפטה בעלת תזוזה חיובית, וחושפים אותו לאור באורך גל של 400 ננומטר בעוצמה של 15 מיליוואט לסמ"ר למשך 60 שניות ליצירת פיגומי הידרוג'ל גרגיריים או GHS. עבור 400 מיקרוליטר של תרחיף מיקרוג'ל, הוסף כמות שווה של תמיסת PFO קרה כקרח, 20% בנוזל הנדסי למיקרוג'לים GelMA מוצלבים פיזית. לאחר מכן צנטריפוגו את תערובת המערבולות במשקל 300 גרם למשך 15 שניות, והסירו את שלב השמן מהמיקרו-ג'לים של GelMA על ידי פיפטציה.לאחר מכן הוסף 400 מיקרוליטר של תמיסת פוטו-איניוזם קרה כקרח, 0.1% לתרחיף המיקרוג'ל. לאחר צנטריפוגה של התמיסה המערבולת ב 300 גרם במשך 15 שניות, להשליך את השמן. חזור על השלבים של חיבור פתרון photoinitiator וצנטריפוגה, אבל צנטריפוגה ב 3, 000g הפעם להיפטר supernatant של מיקרוג'ל GelMA ארוז.מעבירים את מיקרו-ג'לי GelMA הארוזים לתבנית, ולאחר מכן חשיפה לאור ליצירת GHS. הוסיפו 100 מיליגרם של אבקת ננו-טסיות לשלושה מיליליטר מים קרים כקרח וטהורים במיוחד ליצירת פיזור של 3.33% ננו-חלקיקים. מערבבים את הפיזור במרץ בתוך מקרר של ארבע מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי לקלף את הננו-חלקיקים המצטברים.ננו-חלקיקים שעברו קילוף תקין מניבים פיזור ברור. יש להמיס 50 מיליגרם של LAP בחמישה מיליליטר של מים קרים כקרח וטהורים במיוחד כדי להכין תמיסת מלאי פוטו-אינסטיטומנט של 1%. לאחר מכן הוסף 333 מיקרוליטר של תמיסת 1% פוטו-יוזם לפיזור ננו-חלקיקים מתקלפים, ועטוף אותה ברדיד אלומיניום כדי להגן מפני האור הסביבתי.מערבבים את התערובת במשך דקה אחת כדי לערבב את פיזור הננו-חלקיקים ואת הפוטו-יוזם. הוסף PFO קר כקרח, 20% נוזל הנדסי למיקרו-ג'לים GelMA מוצלבים פיזית ביחס נפח של אחד לאחד. לאחר צנטריפוגה של התערובת המעורבת ב-300 גרם למשך 15 שניות, יש להשליך את שלב השמן המכיל את חומר פעילי השטח.הוסיפו את פיזור הננו-חלקיקים הקר כקרח בתוספת LAP למיקרו-ג'לים השטופים של GelMA. לאחר צנטריפוגה ב 3, 000 גרם במשך 15 שניות, להשליך את השמן שנותר בתחתית ואת פיזור supernatant. אחסנו את המתלה בטמפרטורה של ארבע מעלות צלזיוס תוך הגנה עליו מפני אור באמצעות רדיד אלומיניום למשך יום אחד כדי להניב את המוצר, ביו-דיו גרעיני גרעיני ננו-מהונדס או NGB.למחרת, לטעון את NGB לתוך מזרק שלושה מיליליטר. אטמו את המזרק הטעון עם פקק ופרפילם, ובצעו צנטריפוגת פולס במשקל 200 גרם כדי להסיר את האוויר הכלוא. העבר את הדיו הביולוגי למחסנית של שלושה מיליליטר באמצעות מחבר נעילת Luer נקבה-נקבה.צנטריפוגו את המחסנית לזמן קצר ב-200 גרם שוב כדי להסיר את האוויר הלכוד, ולשמור על ה-NGB בארבע מעלות צלזיוס לפני השימוש. לאחר מכן, לטעון את השעיית תאי פיברובלסט murine מוכן לתוך מזרק שלושה מיליליטר. חברו את מזרקי ה-NGB והמזרקים הטעונים בתאים באמצעות מחבר Luer Lock נקבה-נקבה, וערבבו את התוכן בעדינות על ידי דחיפה קדימה ואחורה 40 פעמים.הדפס את ה-NGB או NGB עמוס התאים באמצעות מדפסת ביולוגית מתאימה עם פייה חרוטית סטנדרטית על-ידי טעינת הזרבובית לתוך ראש ההדפסה של שלושה מיליליטר. שמור על טמפרטורת מיטת ההדפסה מתחת ל-10 מעלות צלזיוס, ומטב פרמטרים כגון מהירות ולחץ גב. בחר את gcode הרצוי או קובץ STL.לאחר מכן בחר את המצע ואת סוג הזרבובית עבור מזרק פנאומטי שלושה מיליליטר מצויד זרבובית חרוט סטנדרטי. כייל את המדפסת הביולוגית באמצעות הנחיות ההתקן והתחל להדפיס כדי לקבל את מבני התלת-ממד. טכנולוגיית MEtoP הניבה אבקת מיקרוג'ל מיובשת הניתנת למריחה על ידי ייבוש בהקפאה בלחץ נמוך תוך הגנה על מיקרוג'לים מפני צבירה ועיוותים חמורים.תמונות SEM הראו כי חלקיקי GelMA המיובשים המשתמשים בטכנולוגיה זו שומרים על צורתם הכדורית לאחר ליופיליזציה בהשוואה לצבירה שנצפתה עם ליופיליזציה קונבנציונלית. אפיון המיקרו-נקבוביות של GelMA, GHS ו-NGB עם צבע פלואורסצנטי בעל משקל מולקולרי גבוה הראה את חללי החלל המיקרוסקולריים המחוברים זה לזה. כמו כן, התמונה הפלואורסצנטית שהוערכה באמצעות סקריפט MATLAB שנכתב בהתאמה אישית זיהתה את הנקבוביות.מדידות הקוטר של שבר הריק והנקבוביות החציוניות לא הראו הבדל משמעותי המעיד על הזמינות והקישוריות של נקבוביות מיקרוסקליות בפיגומים המודפסים בתלת-ממד באמצעות NGB. העליונות של פיגומים מסוג NGB על פני מיקרו-ג'לים GelMA ארוזים באופן הדוק ורופף על ידי מדידת אורך חוט הלהט התלוי, חשפה כי ל-NGB היה אורך גדול יותר מהמיקרו-ג'לים הארוזים. המיקרו-ג'לים הארוזים באופן רופף לא הניבו חוטים.גליל חלול הודפס בתלת-ממד, וכל המבנה נחשף לאור לצורך פוטוקרוסלינקינג. המבנה המודפס הוחזק פיזית כדי להראות את הצורה, הנאמנות והשלמות המבנית. אם הפיגום משמש להערכה ביולוגית, למשל, בהדפסה ביולוגית עמוסת תאים, זכרו לבצע את כל השלבים בתנאים מסוימים, תחת ארון הבטיחות הביולוגי.אנו מקווים לבטל את השיווק של השימוש בפיגומי הידרוג'ל גרגיריים כפלטפורמה ביו-חומרית חדשה בביו-רפואה.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

3D Hydrogel Scaffolds for Articular Chondrocyte Culture and Cartilage Generation

3D Hydrogel פיגומים למפרקים הכונדרוציטים תרבות וסחוס דור

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 בונה בעזרת רקמות ספציפיות הידרוג&#39;ל 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 של הסחוס, תחליפי רקמת העור ניצול פסיבים הרומן ערבוב טכניקה יחידה עבור 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 Alginate/ג'לטין הידרוג 3D במבחנה דגם מערכות זירוז היווצרות ספרואיד תא

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 מודפס נקבובי תאית Nanocomposite הידרוג פיגומים

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

פרוטוקולים של 3D ביוריטינג ג'לטין הידרוג'ל מבוסס-דיו

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

הכנה ואפיון של ביו-דיו הידרוג'ל ביו-היברידי תלת-ממדי מבוסס גרפן לנוירו-הנדסה היקפית

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

פיגומים תלת-ממדיים מקרו-נקבוביים משולבים ממוטות מיקרוג'ל

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

סינתזה של הידרוג'ל דבק חזק, ג'לטין O-Nitrosobenzaldehyde

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

ג'ל נוזלי אגרוז שנוצר על ידי עיבוד גזירה במהלך הג'לציה להדפסה ביולוגית תלת ממדית מושהית

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 ...