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甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)生物3D打印操作教程

已有 509 次阅读 2020-3-14 14:40 |个人分类:EFL学术|系统分类:科研笔记|关键词:学者

甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)已成为生物3D打印领域的一种常用生物墨水。为了提升科研人员的生物3D打印效率,EFL团队总结了我们实验室各种GelMA打印的Protocols,其中包括GelMA微球、GelMA纤维、GelMA复杂三维结构和GelMA凝胶基微流控芯片的制备。

 

甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA) 已成为生物3D打印中最通用的材料,GelMA最初由Van Den Bulkke等人于2000年提出。这种材料的来源是明胶(由哺乳动物的胶原蛋白水解而成)。因此,精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列和基质金属蛋白酶(MMP)的靶序列保留在分子链上,有助于实现细胞的黏附和材料的降解。此外,GelMA具有良好的成形性能,EFL-GM系列GelMA在可见光照下3-5s快速固化成胶。EFL团队近日受邀发表文章,总结了我们实验室的各种GelMA打印方法及流程,其中包括GelMA微球、GelMA纤维、GelMA复杂三维结构和GelMA凝胶基微流控芯片的制备。利用EFL-BP5800的微纳尺度打印机,可灵活方便的打印GelMA微球。利用EFL-BP6600系列+同轴打印模块,GelMA纤维在粘性海藻酸钠的辅助下也可高效制造。利用EFL-BP8600生物3D打印机可批量打印复杂的水凝胶三维结构。此外,将凝胶水凝胶与传统的微流控芯片相结合,通过二次交联的方法可构建基于GelMA凝胶的生物微流控芯片。


论文题为“Protocols of 3D Bioprinting of GelatinMethacryloyl Hydrogel Based Bioinks”在实验视频期刊《Journalof Visualized Experiments (JOVE)》发表,谢明君博士生为一作,贺永教授为通讯作者。为了更好的普及各类GelMA结构的制造,EFL团队也一并录制了相关视频。视频中GelMA微球制备由谢明君博士演示操作,GelMA纤维制备由邵磊博士演示操作、GelMA复杂三维结构制备由喻康博士及孙元博士演示操作,GelMA凝胶基微流控芯片制备由聂晶博士演示操作。


一、GelMA微球的制备

在制备凝胶微球的过程中,利用外加电场力将GelMA液滴分散。液滴落入接收的硅油中时可保持标准的球形,没有拖尾。这是因为凝胶滴属于水相,而硅油属于油相。在两相之间形成的表面张力使凝胶滴保持标准的球体形状。对于载细胞微球,从染色的乳腺癌细胞(MDA-MB-231s)细胞的形态(图1)可以发现,包裹的乳腺癌细胞保持良好的伸展能力,验证了这种电辅助制备方法的生物相容性。



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图1 GelMA微球的制备(EFL-BP5800微纳尺度打印机打印)

 

二、GelMA纤维的制备

在GelMA纤维制备过程中,GelMA和海藻酸钠溶液分别在同轴喷嘴的内外喷嘴中流动。由于海藻酸钠比GelMA具有更高的粘度,GelMA在海藻酸钠溶液中的流动受到限制并保持线形。在光照(405 nm波长)条件下,内部GelMA交联并形成GelMA纤维(图2)。骨髓间充质干细胞(BMSCs)被包裹在GelMA纤维中,可以看到,包封的BMSCs在制备过程后保持着良好的伸展能力。

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图2 GelMA纤维的制备(EFL-BP6600系列+同轴打印模块)


三、GelMA复杂三维结构的制备

DLP打印机以其更高的精度被广泛应用于3D打印领域。EFL团队将DLP打印机用于构建形状更为复杂的GelMA三维结构(图3),通过计算机辅助设计软件构建“鼻子”、“耳朵”和“多室”的三维结构模型,并将其导入DLP打印软件中,构建各类具有复杂形状的GelMA结构。在构建的GelMA结构的表面上接种人脐静脉内皮细胞(HUVECs),可发现附着在凝胶材料上的细胞铺展。这表明,利用DLP打印机建立具有复杂形状的GelMA三维结构在生物医学领域具有巨大的应用潜力。

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图3 GelMA复杂三维结构的制备(EFL-BP8600生物3D打印机制备)

 

四、GelMA凝胶基微流控芯片的制备

传统的微流控芯片是基于不具有生物降解性能的材料(即树脂、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))构建的。EFL团队提出基于二次交联策略的GelMA凝胶基微流控芯片(图4)。生物墨水中的两个组分(GelMA和明胶)相继交联,通过按需设计的不同模具制造出具有各种微通道的芯片。同样的,在构建的流道内表面接种人脐静脉内皮细胞(HUVECs),可发现细胞可流入通道并附着在内流道壁上,形成宏观血管形状。

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图4 GelMA凝胶基微流控芯片的制备

 

 

论文链接:

https://www.jove.com/video/60545/protocols-3d-bioprinting-gelatin-methacryloyl-hydrogel-based


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1 郑永军

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