甲基丙烯酸酐化明胶GelMA生物3D打印Protocol

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摘要：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Protocol，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 Gelatin Methacryloyl Hydrogel Based Bioinks”在实验视频期刊《Journal of 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。  

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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。

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。

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。

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。

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