Este protocolo descreve uma plataforma para a fabricação de anéis de tecido Self montado em tamanhos variáveis, usando um molde de plástico personalizado 3D-impresso. PDMS negativos são curados em molde 3D-impresso; Então a agarose é convertido nos negativos PDMS curados. As células são semeadas em poços de agarose resultante onde eles agregam em anéis de tecido.
Engenharia de tecidos estão sendo usados clinicamente para substituição e reparação dos tecidos e estão sendo desenvolvidos como ferramentas para triagem de drogas e modelagem de doenças humanas. Tecidos Self montados oferecem vantagens sobre a engenharia de tecidos baseada no andaime, tais como a deposição de matriz reforçada, força e função. No entanto, existem alguns métodos disponíveis para a fabricação de tecidos 3D sem propagação de células sobre ou dentro de um andaime de apoio. Anteriormente, desenvolvemos um sistema para a fabricação de anéis de tecido Self montado por semeadura de células nos poços de agarose não adesivas. Um polydimethylsiloxane (PDMS) negativo primeiro foi lançado em um molde de policarbonato usinadas, e em seguida agarose foi gelificado no PDMS negativo para criar a célula em forma de anel, semeando poços. No entanto, a versatilidade desta abordagem foi limitada pela resolução das ferramentas disponíveis para a usinagem do molde de policarbonato. Aqui, demonstramos que plástico impresso 3D pode ser usado como uma alternativa ao policarbonato usinada para fabricar PDMS negativos. O molde 3D-impresso e revista mold design é simples de utilizar e barato para produzir e requer significativamente menos agarose e PDMS por célula semeadura bem. Nós demonstramos que os poços de agarose resultante podem ser usados para criar tecido Self montados anéis com diâmetros personalizados de uma variedade de diferentes tipos de células. Anéis podem ser usados para análise histológica, mecânica e funcional, ou para fabricar tecidos tubulares maiores e mais complexos.
Celular auto-montagem abordagens para fabricar os vasos sanguíneos de engenharia de tecidos são uma alternativa para abordagens baseadas no cadafalso. Tecidos Self montados, livre de andaime podem ter maior densidade celular, deposição de matriz reforçada e força e melhoria da função biológica em comparação com tecidos baseada em andaime1,2,3,4 . No entanto, formar tecidos 3D sem o uso de suporte de andaime exógena com formas e tamanhos específicos continua a ser um desafio. Alguns métodos se fundir camadas de folhas de célula para formar construções mais grossas, embora este processo pode ser demorado e mão de obra intensiva5. Alternativamente, as células podem ser semeadas em moldes não-adesivas e permitidas para agregar em esferoides, anéis e outros tecidos formas6,7,8.
Anéis de tecido Self montado exigem menos células, tempos mais curtos de cultura, e menos reagentes do maior tubulares engenharia de tecidos, mas podem ainda ser mecanicamente testados, examinados histologicamente ou usados para contratilidade e outros testes funcionais7 , 9 , 10 , 11. porque eles podem ser fabricados rapidamente e facilmente testados, anéis de tecido são ideais para a seleção de um grande número de parâmetros de cultura e têm potencial para uso como doença modelos11 ou ferramentas para12de despistagem de drogas. Além disso, anéis podem ser fundidos em estruturas de tecido mais complexas, tais como os vasos sanguíneos ou traqueia7,13, e anéis podem fundir mais completamente do que outras formas como esferoides14,15.
Agarose é amplamente utilizado como um material do molde para fabricar Self montados tecidos devido a sua biocompatibilidade, permeabilidade e não-célula propriedades adesivas. Por exemplo, Norotte et al fabricado agarose moldes das hastes extrudadas, que permitiu o controle limitado sobre a forma do molde e equipamentos especializados necessários15. Tan et al depositado gotículas de alginato como construção de unidades para fabricar moldes de hidrogel personalizado em várias formas (pirâmide, Praça)16. No entanto, o grande diâmetro de esferoides o alginato (300 µm) resultou em recursos com baixa resolução. Essa resolução baixa pode resultar em superfícies irregulares de molde que podem afetar adversamente a consistência de agregação de célula. Alternativamente, agarose pode ser convertido em negativos de polímero para criar moldes não-adesivas com características lisas e dimensões específicas6,7,17.
Nós relatamos anteriormente um sistema para a fabricação personalizada de agarose anulares célula-semeadura poços partir de um molde negativo de PDMS em um molde de policarbonato branqueado7,18. Agarose foi derramado o negativo PDMS e permissão para definir7,18. Células foram então semeadas em agarose poços, onde eles agregados para formar Self montado, anéis de tecido livre de andaime em menos de 24h7,18. PDMS negativos são autoclaváveis, podem ser reutilizados várias vezes e são suaves e flexíveis, tornando mais fácil para remover os poços de agarose solidificado. Quando este sistema foi inicialmente relatado em Gwyther et al 7, PDMS negativos foram expulsos fresadas moldes de policarbonato (figura 1A). Após a fundição de agarose, poços de semeadura de célula individualmente foram cortar e colocados nos poços de uma placa 127,18. O projeto foi modificado mais recentemente que um molde único agarose produz 5 anéis e se encaixa em um poço de uma placa 6, eliminando a necessidade de cortar poços individuais e reduzindo a quantidade de PDMS e agarose necessário para produzir cada anel (figura 1B). Uma célula menor largura da calha de semeadura foi usada para reduzir o número de células semeados necessária para alcançar a formação do anel. Apesar destas mudanças, a resolução e a personalização dos moldes estavam restritos às dimensões de fresa de topo padrão disponível, e micromilling pode ser proibitivamente caro. Além disso, usinagem de controle numérico (CNC) de computador pode ser demorado e complicado devido à necessidade de reservar tempo na pesadamente utilizados equipamentos personalizados, software adicional fabricação auxiliada por computador (CAM) para converter o desenho assistido por computador ( Arquivo CAD) para um caminho de ferramenta programável e fixação de confiança da parte de policarbonato durante a usinagem.
No presente estudo, examinamos o uso de impressão 3D como uma alternativa para usinagem CNC. Impressão 3D é amplamente utilizada para engenharia implantes personalizados, fabricando materiais de andaime e para impressão direta de células e tecidos esferoides15,19,20. Usamos uma impressora 3D de alta resolução, e especializado 3D impressão material que nos permitiu imprimir um molde rígido com uma suave, superfície lustrosa terminar (veja a Tabela de materiais). Nossa técnica permite a fabricação de moldes de plástico altamente personalizável, de alta resolução que pode ser usado para converter negativos PDMS e poços de agarose. Iterações de projeto estão resumidas na Figura 1. O projeto de molde mais foi modificado na versão molde 3D-impresso para incluir cônicos das paredes exteriores e um orifício central para facilitar a remoção de ambos os negativos PDMS de moldes 3D-impresso e dos poços de agarose de PDMS negativos. Esses recursos cônicos não podem ser alcançados com o padrão de processos de usinagem. A distância da parte inferior dos poços no fundo do molde foi aumentada nesta iteração, resultando em um base abaixo os posts para reduzir o risco de posts quebrando durante a remoção do bem agarose de agarose mais espesso. O procedimento de fabricação do molde e o anel é mostrado esquematicamente na Figura 2.
Aqui nós apresentamos um método versátil para a preparação rápida de anéis de tecido Self montado com dimensões facilmente personalizados utilizando a impressão 3D. Nosso método é semelhante à relatada em Svoronos et al. 6 , onde 3D-impresso do favo de mel e moldes de cera em forma de osso de cão foram usados para lançar PDMS negativos. No entanto, os moldes foram modificados para conter várias características do projeto original. Um entalhe (Figura 4A(1)) fornece orientação do molde para permitir que cada anel ser rotulado e monitorados individualmente. O furo central (Figura 4A(2)) ajuda a melhorar a difusão do meio nos poços. Números de arquivo CAD são impressos diretamente sobre o molde; Portanto, PDMS negativos cada um são rotulados com o número de versão e postar de diâmetro (Figura 4A3). As paredes exteriores afiladas (Figura 3(1), 5 °), na parte superior dos bebedouros bem (Figura 3(2), 45 °) e o furo central (Figura 3(3), 5 °) tornam mais fácil para remover os moldes 3D-impresso negativos PDMS , e poços de agarose são mais fáceis de remover a partir dos negativos PDMS (Figura 4A(2), A(4)).
Nós demonstramos a versatilidade deste sistema por fabricar tecidos Self montados em forma de anel, de uma variedade de diâmetros e tipos de células, incluindo humanos primários do músculo liso células (SMCs)18,22, rato aórtica SMCs7 , 23, células-tronco mesenquimais humanas (hMSCs)13e SMCs derivado pluripotentes induzidas (iPSCs) as células-tronco11 (tabela 1). No trabalho em curso, estamos avaliando a formação de anéis de tipos de células adicionais, tais como células endoteliais e fusão de anéis de cartilagem, de tamanhos variados para potenciais aplicações em substituição traqueal. Além de construções completamente derivado de células, também usamos este sistema para fabricar anéis com gelatina reticulado incorporadas microesferas13,22. Microesferas podem ser incorporadas dentro anéis de tecido durante a auto-montagem para fornecer resistência mecânica adicional, ou para localizadas entrega de fatores de crescimento13,22.
Quando a fabricação de anéis de tecido, otimização do número de células pode ser necessária para diferentes tipos de células. Mínima célula números podem variar com base no tamanho e tipo de células. Por exemplo, hSMCs, derivados de iPSCs são semeadas em 600.000 células/anel11, hMSCs e hSMCs primária são semeadas em 400.000 células/anel13,22e rato que SMCs aórtica são semeadas em 500.000 células/anel18. Dimensões da calha também podem afetar a formação do anel e o número mínimo de células necessárias para a formação de anel24. Para estudos com células humanas e moldes 3D-impresso, utilizou-se uma largura da calha de 2 mm. Os moldes de policarbonato original tinham uma largura da calha de 3,75 mm, que exigia 750.000 hSMCs para formar uma célula de 2mm anel18. Com a largura da calha reduzida, fomos capazes de reduzir o número de células necessárias para a formação de anel em 46%, para 400.000 células por anel25. Quantidades de células semeadas por anel estão resumidas na tabela 1.
Ao escolher um material impresso 3D, muitos fatores precisam ser considerados. Porque PDMS normalmente é curada a 60 ° C, o material impresso 3D deve ter uma alta bastante temperatura para evitar danos durante a cura de PDMS de fusão. A temperatura de fusão do material utilizado neste estudo (um material proprietário, consulte Tabela de materiais) não está disponível. No entanto, quando cozido a 60 ° C, durante 1 h, observamos que o material começou a produzir um odor. Assim, decidimos abaixar a temperatura de cura a 50 ° C e aumentar o tempo de cura para cozer o PDMS sem danificar o material 3D-impresso. Podem ser necessários se moldes são modificados para negativos PDMS maiores forma ajustes no tempo de cura. Um período adicional de curando a 60 ° C, após a remoção de PDMS pelos moldes 3D-impresso impede que o PDMS final negativo restante brega, limitando-se a temperatura a que do molde 3D-impresso é exposto. Observe que alguns materiais inibem a polimerização de PDMS, para garantir que o material selecionado é compatível com PDMS. Finalmente, a toxicidade de material do molde também deve ser considerada. Enquanto o molde 3D-impresso não estará em contacto directo com as células, é possível que algum resíduo do molde pode ser transferido para o PDMS negativa durante o processo de curando. Descobrimos que muito minuciosa lavagem com detergente era suficiente para remover qualquer resíduo de negativo o PDMS. No entanto, observamos anteriormente que lavagem inadequada levou à formação de anel pobre em poços de agarose, pela primeira vez alguns usos de negativo o PDMS. O uso de PDMS elenco de outros materiais impressos 3D pode exigir investigação adicional para verificar se o detergente é suficiente para remover resíduos de molde, incluindo qualquer potenciais lixiviados. Testes periódicos também podem ser necessário, como é possível que repetiu aquecimento ciclos (até mesmo a 50 ° C) pode danificar o molde ao longo do tempo e causar aumentos no resíduo após o uso repetido. Até à data, usamos um único molde 3D-impresso para produzir mais de 30 negativos PDMS que têm sido utilizados para gerar com êxito anéis de tecido.
Impressão geral, 3D permite maior versatilidade para a fabricação de moldes de agarose de usinagem de policarbonato. Fornece uma resolução mais alta do que é possível com ferramental e projeto do molde não é limitado pelas dimensões das ferramentas disponíveis. Isto permite maior personalização, e a adição de recursos como afilar-se que não pode ser possível com usinagem. Este sistema pode ser aplicado para fabricar tecidos Self montados em outras formas também, além de anéis6,17. Usando o método de fabricação do anel, desenvolvemos anéis de tecido de uma variedade de tipos de células e tamanhos para aplicações potenciais em tecido traqueal engenharia13engenharia vasos sanguíneos7e modelagem de doenças vasculares11.
The authors have nothing to disclose.
Reconhecemos com gratidão Dr. Erica Stults (pesquisa acadêmica & aplicação cientista, serviços de tecnologia de informação de WPI) pela sua assistência com 3D, impressão, Amanda Zoë Reidinger, pH.d., Chris Nycz e Karen Levi, M.E., para a sua entrada no projeto de molde, Kathy Suqui e Jennifer Mann pela assistência testes projetos de molde e Michael O’Keefe pela ajuda com as filmagens. Este trabalho foi apoiado pela NSF IGERT DGE 1144804 (MWR, HAS), NIH R15 HL097332 (MWR, TAH), NSF REU EEC0754996 (BA), NIH 1R01 EB023907 (MWR, HAS) e NIH R15 HL137197 (MWR, tem).
SeaKem LE Agarose | Lonza | 50040 | |
PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
DMEM | Corning Cellgro | 15-017-CV | |
VeroWhite | StrataSys | RGD835 | |
3D printer | StrataSys | Objet 260 Connex | |
DMEM | Corning Cellgro | 15-017-CV | |
FBS | Thermo Fisher | 16000069 | |
L-glutamine | Corning Cellgro | 25-015-CI | |
Non-essential amino acids | Corning Cellgro | 25-025-CI | |
Sodium pyruvate | Corning Cellgro | 25-000-CI | |
Pen-strep | Corning Cellgro | 30-002-CI | |
Trypsin | Corning Cellgro | 25-053-CI | |
Trypan blue | Corning Cellgro | 25-900-CI | |
PBS | Lonza | 17-516F | |
6-well plate | Corning | 353046 | |
WKY 3M-22 rat aortic smooth muscle cells | Provided by T. Wight [ref 21] | N/A |