加州大學(xué)洛杉磯分校：模塊化微凝膠的高通量生產(chǎn)

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迄今為止，用于生產(chǎn)形成微孔的單分散微凝膠結(jié)構(gòu)單元的方法基本上受到其低通量和差的可擴(kuò)展性的限制。這種限制為廣泛采用該方法造成了障礙。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究者們正在尋找一種生產(chǎn)方法既可維持微流體的精確尺寸控制，同時(shí)又允許將其規(guī)模擴(kuò)大到更大的生產(chǎn)規(guī)模。

近期，加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程系D.Di Carlo教授及其團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials雜志上發(fā)表了題為Scalable High-Throughput Production of Modular Microgels for In Situ Assembly of Microporous Tissue Scaffolds的文章，描述了一種以連續(xù)可擴(kuò)展的高通量方式制造高度均一的微凝膠構(gòu)建體的方法，從而能夠?yàn)榧?xì)胞和組織的生長(zhǎng)形成高度模塊化的微孔環(huán)境。

如圖1，作者通過(guò)充分混合的生物活性水凝膠前體和交聯(lián)劑在非反應(yīng)pH值下注入到平行化步驟乳化裝置中。,將有機(jī)堿以流動(dòng)的方式添加到油相中以增加pH值并誘導(dǎo)交聯(lián)。交聯(lián)的微凝膠與油相分離并洗滌。將細(xì)胞溶液接種到微凝膠中，并通過(guò)K和Q肽之間的酶促反應(yīng)原位共價(jià)連接在一起，形成載有細(xì)胞的微孔支架。

圖1 微凝膠生產(chǎn)和原位支架形成

如圖2，通過(guò)高速相機(jī)捕獲微凝膠液滴形成過(guò)程，液滴的大小在大流量范圍內(nèi)是不變的。液滴生成器的最大通量受分散相中PEG濃度的影響最小。羅丹明-葡聚糖添加到凝膠前體中以進(jìn)行可視化。在12小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定、一致的液滴，粒徑均勻。

圖2 微凝膠液滴形成

液滴由水凝膠前體和交聯(lián)劑溶液在非反應(yīng)性pH值下形成的。三乙胺通過(guò)油相添加，并分配到液滴的水相中，以增加pH值并使交聯(lián)劑上的巰基去質(zhì)子化。去質(zhì)子化的硫醇與多臂PEG上的乙烯基砜基反應(yīng)。交聯(lián)過(guò)程對(duì)液滴穩(wěn)定性的影響極小，使得微凝膠的高度均勻性（涂3）。均勻的交聯(lián)使得能夠更好地定義獨(dú)特的微凝膠構(gòu)件的性質(zhì)。這對(duì)于確保細(xì)胞培養(yǎng)和整合到模塊化支架中的良好控制環(huán)境至關(guān)重要。

圖3 微凝膠液滴交聯(lián)方法及表征

如圖4中絲狀肌動(dòng)蛋白染色圖所示，微孔環(huán)境促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散。較硬的微環(huán)境顯示細(xì)胞擴(kuò)散增加，并且連接的3D細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)更快形成。在納米多孔支架中，細(xì)胞顯示出更多的球形形態(tài)。

圖4 增加的支架剛度可增強(qiáng)體外細(xì)胞增殖和網(wǎng)絡(luò)形成

與以前的工作相比，本文的方法能夠在較大的硬度范圍內(nèi)生產(chǎn)單分散微凝膠。證明了高硬度微孔環(huán)境中HDFs的增強(qiáng)增殖和擴(kuò)散。更硬或更高度交聯(lián)的微凝膠結(jié)構(gòu)單元還可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的降解速率或藥物釋放曲線，以調(diào)節(jié)長(zhǎng)期再生或細(xì)胞生態(tài)位的形成。利用這種方法的模塊性，首次證明了原位形成具有不同機(jī)械性能的充滿細(xì)胞的微多孔支架的形成。這種獨(dú)特的方法可用于在體內(nèi)創(chuàng)建剛度漸變，以增強(qiáng)干細(xì)胞募集以進(jìn)行組織修復(fù)，或創(chuàng)建可用于復(fù)雜組織再生或研究癌癥發(fā)生和進(jìn)展的空間排列的組織微環(huán)境。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201900071