This protocol outlines the implementation of image-guided, laser-based hydrogel degradation to fabricate vascular-derived, biomimetic microfluidic networks embedded in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) hydrogels. These biomimetic microfluidic systems may be useful for tissue engineering applications, generation of in vitro disease models, and fabrication of advanced “on-a-chip” devices.
この詳細なプロトコールは、PEGDAヒドロゲルに埋め込まれた血管由来のマイクロ流体ネットワークの製造のための画像誘導、レーザーベースのヒドロゲル分解の実装の概要を説明します。ここでは、画像誘導レーザ制御を可能にする仮想のマスクの作成について説明します。マイクロ流体ネットワークの製造及び圧力ヘッド駆動流に適したmicromolded PEGDAハイドロゲルの光重合;フェムト秒パルスのTiとペアになって、市販のレーザー走査型共焦点顕微鏡のセットアップと使用:ヒドロゲルの分解を誘導するSレーザー;蛍光種および共焦点顕微鏡を使用して製造、マイクロ流体ネットワークのイメージング。これらは複雑な数が含まれているマイクロ流体製造目的のための市販の顕微鏡を使用する際の重要なステップであるなどのプロトコルの多くは、顕微鏡ソフトウェアおよび顕微鏡マクロの適切な設定方法や実装に焦点を当てています。このtechniquの画像誘導成分eは、それによって創造的なマイクロ流体設計のため、事実上任意の構成の複雑なマイクロ流体システムの製造を可能にする、3D画像スタックまたはユーザーが生成した3Dモデルの実装を可能にします。組織工学における予想される影響で、このプロトコルで概説された方法は、臓器と人間のオンチップデバイスのための高度なバイオミメティックmicrotissue構築物の製造に役立つ可能性があります。 in vivoでの血管系の複雑なアーキテクチャ、屈曲度、サイズ、および密度を模倣することにより、本質的な生物学的輸送プロセスは、薬物動態及び疾患のより正確なin vitroでのモデリングにつながる、これらの構築物に複製することができます。
リンパ管および心臓血管の両方からなる血管系、フォーム栄養と酸素の輸送および代謝老廃物の除去のために不可欠である高密度のネットワークを。したがって、血管新生した組織に存在する細胞は、以上の50から100ミクロン離れて容器1からなることはありません。 in vitroで の生体内の血管構造を再現する能力は、正確に操作された構築物を用いてin vivoでの輸送過程をモデル化することが重要です。 3,4および疾患モデル5,6をハイスループットスクリーニングの薬剤のための臓器・オン・チップデバイス2を開発するための最近のドライブでは、この方法は、描画された合成または天然ヒドロゲルにおけるin vivo様の輸送を再現マイクロ流体ネットワークを作成します大きな関心。これらのデバイスで使用される微細組織のバイオミミクリーを強化するために、我々は、三dimensionaを用いる画像誘導レーザベースのヒドロゲルの分解法を開発しましたL(3D)天然の血管系の画像スタックをテンプレートはPEGDAヒドロゲル7に埋め込まれた血管由来微小流体ネットワークを生成します。このプロトコルは、画像誘導、レーザーベースの劣化を経てPEGDAヒドロゲルにおける血管由来、生体模倣マイクロ流体ネットワークを製造するフェムト秒パルスレーザーを搭載した市販のレーザー走査型共焦点顕微鏡の使用を概説します。
ヒドロゲルを流動化するための現在のアプローチは、内皮13-16用の事前定義されたチャネルを作成するには8-10脈管や血管新生10-12内皮細胞の自己組織化と微細加工技術の誘導が含まれます。自己組織化ネットワークは、微小血管の密度と複雑なアーキテクチャを再現しながら、彼らはしばしば、薬剤スクリーニングアプリケーションのためのモデリング輸送に問題となる可能性がin vivoでのネットワーク11,17,18、より透過性です。自己組織化ネットワークはphysiologから成り的には、関連する毛細血管サイズの船が、それらは、より大きな細動脈サイズの血管を生成する際の制限のために、バルク流体の流れとの統合が困難な場合があります。これらのネットワークの集合体の上に直接制御がないため、最終的なアーキテクチャは、繰り返し同じ流体の流れおよび輸送特性とのネットワークを生成することが困難になる、サンプル間で変化し得ます。
3D、反復ジオメトリと明確に定義されたアーキテクチャを有するヒドロゲル埋め込み微小流体ネットワークを生成するために、微細加工技術の数は、モジュールアセンブリ13、犠牲材料16、ダイレクトライトアセンブリ14と、全方位印刷15の3Dプリントなど、開発されてきました。これらの方法は、微小流体アーキテクチャ、したがって流体の流れと輸送特性を適用し、繰り返し多くの構築物を横切って製造することができます。これらのアプローチの主要な制限は、しかしながら、作成することができないことであるmicrof毛管サイズの特徴、4〜10μmの19とluidicネットワーク。ほとんどの微細加工技術は、多くの場合、直径13,16に150から650ミクロンまでの範囲の特徴に限定されています。いくつかの既存の技術には、直接書き込みアセンブリ14のために10〜300μmで、広い直径範囲にわたってチャンネルを階層的ネットワークを生成することが可能であり、かつ全方位印刷15 18へ600μmのは、それらは、密なネットワークまたはを生成する能力が制限されています単一の構築物7内に近接した複数のマイクロ流体ネットワークを生成します。
これらの制限のいくつかを克服するために、我々は、生体模倣の反復可能な製造を可能にする画像誘導、レーザーベースのヒドロゲル分解技術、in vivoでの微小血管系のアーキテクチャを再現階層型マイクロ流体ネットワークを開発しました。これを行うには、80 MHzで動作する790 nmで、140フェムト秒(fs)は、パルスレーザは、ラスタスキャンiはin vivoでの血管系の画像で定義されたように、n、ヒドロゲル内の3D位置を希望します。私たちは、水が20を拡張したように、分解プロセスは、水のレーザ誘起光学破壊、結果として得られるプラズマ形成、水のその後の急速な熱弾性膨張、およびヒドロゲルの局所的劣化を介して動作することを推測しています。この機構は、タンパク質ベースのヒドロゲル21-24のレーザーベースの分解から若干異なります。低多断面を有するPEGDAとは異なり、タンパク質は、しばしば大規模な多断面を有し、したがって、多光子吸収によって誘起される化学破断23を介して分解されます。画像誘導微小流体ネットワークを生成するために、レーザシャッタは、微小流体アーキテクチャを定義する関心9の領域のモザイクから成り画像誘導仮想マスクによって制御されます。このアプローチを用いて、3D血管由来のバイオミメティックマイクロ流体を製造する能力が実証されています局所的に分解中に送達されるエネルギーの量を変化させることによりヒドロゲルの多孔性を制御するために、 インビボでの脈管構造の緻密で蛇行アーキテクチャを再現ICネットワーク。また、近接(15ミクロン)に絡み合う二つの独立したマイクロ流体ネットワークを生成することができたが、直接7を接続したことがありません。我々はまた、内皮細胞の接着および管腔形成7を促進するために、インテグリン連結ペプチド配列、アルギニン-グリシン-アスパラギン酸-セリン(RGDS)でポスト分解官能を通じてレーザー分解マイクロチャンネルを内皮化する能力を実証しました。
このプロトコルでは、PEGDAヒドロゲルにおける複雑なマイクロ流体ネットワークの世代は、多くの大学のキャンパスでアクセス可能な市販の顕微鏡を用いて画像誘導、レーザーベースの分解を経由して可能となります。分解プロセスは、デジタル、仮想マスクによって案内されるように、このファブリカション技術は、多種多様な用途での使用を可能にする、マイクロ流体ネットワークの創造的なデザインのために適しています。私たちは、ここで説明する方法は、バイオミメティック器官とモデリングの薬物輸送2における重要な生物学的輸送プロセスを複製することができる人間のオンチップデバイスを設計する際に最も有利になることを期待しています。この製造技術はまた、癌転移5,6及び血液脳関門モデル25を含む、 インビトロでの疾患モデルの生成のために関心のものであってもよいです。レーザーベースのヒドロゲルの分解は、以前に神経突起伸長21-23の誘導のためのトラックを作成するために使用されているように、この技術の画像誘導延長は、ユーザー定義の3D空間配置内のセルを配置するために、高度な組織工学戦略において有用であることが証明できました。
画像誘導、レーザーベースの分解のための仮想マスクの使用を可能にするために、顕微鏡ソフトウェアの標準機能をオーバーライドする上で重要な、顕微鏡マクロが設定し、慎重に操作しなければなりません。どのように顕微鏡マクロで顕微鏡のソフトウェアインタフェースは時々直感に反することができ、多くの努力が、この方法を開発するために、両方のプログラムで最適な設定を決定する際に投資されました。基本的なレーザー走査型共焦点顕微鏡の使用の一般的な理解は、特に「ステージ」と発見し、正しくレーザーベースの分解を試みる前に、x、y、zの次元でヒドロゲルを位置決めするための「フォーカス」ウィンドウで、お勧めします。また、入口流路の作製は、プロトコルに重要です。中断蛍光種は、成功したイメージングおよびネットワークの特性評価のためのマイクロ流体システムを入力することができなければなりません。このプロトコルは、特定のに適用されることに留意することが重要であり、レーザー -顕微鏡ソフトウェアおよび顕微鏡マクロの特定のバージョンを実行している特定のフェムト秒パルスレーザーを用いて構成された走査型共焦点顕微鏡、(特定の材料/機器のリストの詳細を参照してください)。私たちは顕微鏡マクロの新しいバージョンは、画像誘導レーザ制御のために必要な必要な制御と機能性を欠いていることを発見しました。他の顕微鏡プラットフォームとパルスレーザ光源を用いることができるが、このプロトコルは、このシステムに特に適用され、プラットフォーム、レーザ源、およびソフトウェア実装に応じて変更が必要となります。このプロトコルを通して、基本的な原理はまだただし、適用されます。
このプロトコルへの潜在的な変更は、ハイドロゲル組成物を変化させることを含みます。ここで、我々は(脇マイクロ流体ネットワークの世代からの目的のために)5重量%、3.4 kDaのPEGDAヒドロゲルが、レーザーベースの分解を利用すると、PEG化フィブリンを含む合成および天然ヒドロゲル、両方を分解するために実装されました21,22フィブリノゲン、絹タンパク質ヒドロゲル23、及びコラーゲン24。レーザーパワー、走査速度、Zスライス間の間隔、及び繰り返し回数の調整は、他のヒドロゲル製剤に微小流体ネットワークを製造するために最適なパラメータを決定するのに役立つであろう。
技術の一つ電流制限は、時間の実現可能な量に分解することができるヒドロゲルの全体のボリュームです。 37.7 NJ /μm2でのレーザフルエンスを使用した場合、ヒドロゲル内にオープンボイドやマイクロ流体の特徴を作成するには、レーザー滞留時間は8.96マイクロ秒/ピクセル(または0.021ミクロン/μsでのレーザスキャン速度)で、またはより上でなければなりません。 ( 図1に見られるように)これらの設定では、0.014 mm 3でボリューム内の血管を分解するために1.4時間がかかります。下記の4.48マイクロ秒/ピクセルまたはのレーザー滞留時間を用いて、供給されるエネルギーは、ここで使用されるヒドロゲル製剤の完全分解に十分ではありません。異なるヒドロゲルの実装組成物は、この制限を克服することができます。光に敏感なコンポーネント34-36または大規模な多断面21-24を持つハイドロゲルが含まれている光不安定性ゲルの使用は、より少ないエネルギーの利用を可能にし、より高速な劣化につながる良いオプションです。次元の制限に関しては、特徴は、ヒドロゲル7の深い1.5ミリメートルまでに製造されています。深度達成は、対物レンズの作動距離の関数であり、in vivoイメージングのための最適化された超長作動距離対物レンズを使用して増大させることができます。最小の測定チャンネル7は、20X(NA1.0)水浸対物レンズは、 図1に発生した最小のチャンネルのサイズと同等の8.9ミクロンの3.3ミクロンの幅と深さを持っていた使用して作成しました。他のラボが低いNA対物レンズ21,23,24を使用しているが、我々はより小さな機能を備えたマイクロ流体ネットワークが高く使用して作製することができることを期待します縮小作動距離を犠牲にしてER NA対物レンズ。最終的に、しかし、技術の分解能は、集束レーザービーム、レーザ走査特性、レーザによって供給されるエネルギーの量の点広がり関数の関数であり、材料のレーザ吸収特性が劣化します。
また、レーザ特性が(速度、フルエンス、仮想のマスクとの間の間隔、及び繰り返し数)は、ヒドロゲル特性(架橋密度、マクロマー/モノマーの分子量、重量パーセント、及びヒドロゲルの種類に基づいて最適化されなければならない:合成対タンパク質ベース)、これらのように本質的にレーザー、したがって、プロセスの最終的な解決との相互作用が変更されます。供給されるエネルギーも使用目的によって影響されるように目標を切り替えたとき、追加の最適化が必要です。関連する費用に対して、パルスレーザと顕微鏡へのアクセスが要求され、多くの異なるOBJEC一方ティブは、高いNAおよび(in vivoイメージングのための)長い作動距離を有するものは高価であり、使用することができます。
上記およびここに詳述したプロトコルを越えて、この技術を用いて生成されたマイクロ流体ネットワークはまた、内皮細胞の接着および管腔形成7を誘導するために細胞接着性ペプチドポストチャネル加工で官能化することができます。また、劣化したチャネルに先立ってバルク材料9のセル分解性ペプチド配列の組み込みは、ヒドロゲルへと貫通細胞遊走の研究のために可能性があります。 図2及び図 3~7に示されているように、ヒドロゲル内の微小流体ネットワークの連続的な流動化のために、ヒドロゲルは、より大きな流体装置又はハウジング内に光重合することができます。
血管性または血管新生自己集合8-12を介した血管網の発生がVAを誘導するために直接的なアプローチを提供します比較的大きなヒドロゲルボリューム全体にscularization。このアプローチは、灌流流体ネットワークをもたらすが、直接サイズ、ねじれ、密度、および全体的なネットワークアーキテクチャを制御することは困難です。この制限により、血管系における流れプロファイルとせん断速度は、実験間で異なる場合があります。また、微細加工技術13-16は、ネットワーク・アーキテクチャを直接制御を可能にするが、多くの場合、小さな、キャピラリーサイズのチャネルまたはin vivoでの血管のアーキテクチャで模倣密なネットワークの製造を生成することができないことによって制限されています。ここで説明レーザーベースのヒドロゲルの分解技術は、新たにマイクロ流体生成のために再利用されてきたが、それは同時に、密度、ねじれを再現3次元生体模倣マイクロ流体ネットワークの作成を可能にすることによって建築制御、既存の微細加工法の大きさに基づく制限の両方を克服しますサイズ範囲、および全体的なarchitecturin vivoでの血管系の電子。さらに、複数の流体ネットワークは、ネットワーク間のトランスポート7の研究を可能にする、単一のヒドロゲルで生成することができます。より密接にin vitroでの 生体内輸送過程の中で複製するように努めています組織工学アプリケーションでは、ここで概説高分解能ハイドロゲル包埋マイクロ流体ネットワークは非常に適しています。我々は、このプロトコルは、薬物スクリーニング装置として使用するためおよびインビトロ疾患モデルにおいて、より正確に模倣する組織構築物のインビボ輸送の開発に有用であろうことを予想しています。
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Dr. Jeff Caplan and Mr. Michael Moore at the Delaware Biotechnology Institute Bio-Imaging Center for their support with confocal microscopy. Access to microscopy equipment was supported by the National Institutes of Health (NIH) shared instrumentation grants (S10 RR0272773 and S10 OD016361) and the State of Delaware Federal Research and Development Grant Program (16A00471). This research was supported by grants from the Institutional Development Award (IDeA) from the NIH National Institute of General Medical Sciences (P20GM103446), the American Cancer Society (14-251-07-IRG), the University of Delaware Research Foundation (14A00778), the Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) (RR140013), and the NIH National Library of Medicine (4 R00 LM011390-02).
MATLAB | Mathworks | R2015a | named "programming software" in protocol; refer to source 9 for details on algorithm |
FIJI (Fiji is Just Image J) | NIH | version 1.51a | named "image processing software" in protocol |
LSM 780 Confocal Microscope | Zeiss | named "laser-scanning confocal microscope" in protocol; for laser-based hydrogel degradation | |
Zen 2010B SP1 | Zeiss | release version 6.0 | named "microscope software" in protocol; for use on Zeiss LSM-780 |
Multitime, 2010 | Zeiss | v16.0 | named "microscope macro" in protocol; for use on Zeiss LSM-780 (in conjunction with Zen) |
Objective W Plan-Apochromat 20x/1.0 DIC D=0.17 M27 75mm | Zeiss | 421452-9880-000 | for use on Zeiss LSM-780 |
Chameleon Vision II Modelocked Ti:S Laser | Coherent | named "high-powered pulsed laser" in protocol | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S5886-1KG | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375-250G | |
Triethanolamine (TEOA) | Sigma-Aldrich | 90279-100ML | flammable; skin and eye irritant; work with in a fume hood |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S5881-500G | |
150 mL Vacuum Filtration Cups with 0.2 µm PES Membrane | VWR | 10040-460 | |
PEGDA | synthesized in house | refer to source 33 for synthesis methods; store under argon | |
Eosin Y disodium salt | Sigma-Aldrich | E6003-25G | |
1-vinyl-2-pyrrolidinone (NVP) | Sigma-Aldrich | V3409-5G | store under argon; carcinogenic; work with in a fume hood |
3M Double Coated Tape, 9500PC, 6.0 mil | Thomas Goldkamp | 37728 | |
Flexmark 90 PFW Liner | FLEXcon | FLX000620 | backing for handling of double coated tape |
Model SC Plotter (adhesive cutter) | USCutter | SC631E | used to cut adhesive in ring shapes to connect coverslips to petri dishes |
60 mm Petri Dish with 20 mm Hole | MatTek Corporation | P60-20-F-NON | |
High Intensity Illuminator (white light source) | Fiber-Lite | 4715MS-12WB10 | |
Power Meter | Newport | 1916-R | detect power at 524 nm when using white light source |
Slim Profile Wand Detector | Newport | 918D-ST | for use with power meter |
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | 3097358-1004 | used to make PDMS molds; refer to source 7 for methods |
TMPSA-Functionalized #1.5 Coverslips, 40 mm Round | synthesized in house | refer to source 7 for methods | |
Dextran, Fluorescein, 2,000,000 MW, Anionic, Lysine Fixable | Life Technologies | D7137 | can use alternative tagged dextrans; 2000 kDa does not diffuse readily into a 5% 3.4kDa PEGDA hydrogel |
1 mL Syringe, Luer-Lok | BD | 309628 | |
Acrodisc Syring Filter, 0.2µm Supor Membrane, Low Protein Binding | Pall | PN 4602 | |
sticky-Slide VI0.4 | Ibidi | 80601 | microfluidic devices that can be used to house hydrogels |