Method Article
Aqui apresentamos um método rápido, fácil e baixo custo para a fabricação de moldes de polidimetilsiloxano personalizado que podem ser usados para a produção de tecidos de engenharia baseada em hidrogel com geometrias complexas. Adicionalmente descrevemos os resultados de avaliações mecânicas e histológicos realizados na engenharia tecidos cardíacos produzidos utilizando esta técnica.
Como o campo da engenharia de tecidos tem continuado a amadurecer, tem havido crescente interesse em uma ampla gama de parâmetros de tecido, incluindo a forma de tecido. Manipulando a forma de tecido sobre o micrômetro para escala centímetro pode direcionar o alinhamento da célula, alterar propriedades mecânicas eficazes e resolver limitações relacionadas com a difusão de nutrientes. Além disso, o recipiente em que um tecido é preparado pode transmitir restrições mecânicas no tecido, resultando em campos de stress que mais podem influenciar a estrutura da célula e a matriz. Em forma de tecidos com dimensões altamente reprodutíveis também tem utilidade para ensaios em vitro no qual amostra dimensões são críticos, tais como tecido de toda a análise mecânica.
Este manuscrito descreve um método alternativo de fabricação utilizando moldes mestre negativos, preparados a partir de acrílico gravada a laser: Estes moldes executar bem com polydimethylsiloxane (PDMS), permitem projetos com dimensões na escala de centímetros e recurso tamanhos menores que 25 µm e pode ser rapidamente projetada e fabricada a baixo custo e com experiência mínima. Os requisitos de custo e tempo mínimo permitem moldes gravadas a laser que será rapidamente em cima até um projeto ideal é determinado e ser facilmente adaptadas para se adequar a qualquer ensaio de interesse, incluindo aqueles além do domínio da engenharia de tecidos.
Nas últimas duas décadas, litografia macia tem sido amplamente utilizada como uma técnica de fabricação para apoiar a investigação científica, nomeadamente nos domínios da microfluídica, pesquisa de materiais e tecidos engenharia1,2, 3. Moldagem de réplica, na qual um objeto com uma forma desejada é criado a partir de um molde negativo de mestre, oferece um conveniente e de baixo custo método de produzir positivo que PDMS Replica que pode ser usado para fundição em forma de hidrogel. No entanto, os moldes de mestre negativos necessários normalmente são produzidos usando técnicas microfabrication que são caro, demorado, limitado em tamanho, e exigem espaço de sala limpa e equipamentos sofisticados. Enquanto a impressão 3D oferece uma alternativa potencial, sua utilidade é limitada devido aos limites da resolução de impressoras de baixo custo e as interações químicas entre polímeros de impressora 3D comuns e PDMS que pode inibir a polimerização.
Sistemas de cortador laser capaz de corte e gravura materiais tais como plástico, madeira, vidro e metal tornaram-se recentemente drasticamente menos caro e, portanto, mais acessível para a fabricação de ferramentas de pesquisa. Cortadores de laser da classe comercial são capazes de fabricar objetos na escala de centímetros com características mínimas menores que 25 µm e requerem mais treinamento mínimo, conhecimentos e tempo para usar. Enquanto a ablação a laser de PDMS foi anteriormente usada na fabricação de dispositivos de microfluídica, para o nosso conhecimento nenhum manuscrito descreveu um processo pelo qual milímetros e centímetros escala moldes podem ser fabricados de laser cortar moldes mestre negativos4 .
Usamos esta técnica principalmente para manipular a forma dos tecidos projetados para melhorar a difusão de nutrientes, o alinhamento celular e propriedades mecânicas5,6,7. No entanto, a versatilidade desta técnica permite a utilização em qualquer campo onde hidrogel moldados é de interesse, tais como drogas entrega e material ciência pesquisa8. Com acesso a um cortador do laser, PDMS molde repetições podem ser feitas para quase qualquer geometria sem saliências (que iria inibir a remoção sem um molde multi-parte, que está além do escopo deste manuscrito) e que se encaixa dentro das dimensões da cama do laser.
1. criar projetos de molde a vetor formato Master
2. corte os moldes de acrílico Master de laser
3. preparar os moldes PDMS para celular ou cultura de tecidos
4. molde o colágeno e fibrina hidrogel tecidos
Nota: Use um procedimento asséptico adequado para manter a esterilidade.
5. análise técnicas: Tecido de compactação
Nota: Compactação resultante da remodelação da matriz é um indicador de viabilidade de tecido e desenvolvimento que pode ser facilmente medido através da análise de microscopia e imagem óptica.
6. análises técnicas: Teste de tração
Nota: Ambos mecânica ativa (forças ou tensões geradas por um tecido projetado por causa da atividade das células) e passiva mecânica (forças ou tensões geradas em resposta às tensões aplicadas ou forças) é características funcionais críticas de muitos engenharia tecidos e isto é particularmente verdadeiro para os tecidos cardíacos engenharia. O analisador Micromecânico usado para as análises é descrito na Tabela de materiais. Outros aparelhos de testes mecânicos poderiam ser aplicados da mesma forma assumindo que eles permitem testar hidratado e são capazes de controle do comprimento e forçar a medições por escalas e resoluções pertinentes para o tecido. Para tecidos com áreas transversais da ordem de milímetros quadrados simples e stiffnesses da ordem de dezenas de kPa, uma célula de carga de 5 mN é um bom ajuste. Materiais de maiores e mais aguerridos exigiria uma célula de carga maior. Antes do teste, certifique-se de que o transdutor de força e o controlador de comprimento são devidamente calibrados.
7. análise técnica: Parafina histologia e imunohistoquímica
Nota: Tivemos o maior sucesso em secções de tecido projetado usando blocos de parafina, para que a morfologia do tecido é melhor preservada por imagens. Todas as etapas do processo devem ser cuidadosamente consideradas e costuradas no tecido projetado, incluindo o processamento de amostras sem pressão ou de vácuo, empiricamente determinar os métodos de recuperação de antígeno apropriado e titulação do anticorpo primário concentração. Outras técnicas, como o uso de blocos congelados para a preparação de slides, podem exigir menos tempo e despesa enquanto produzindo resultados suficientes, dependendo da aplicação pretendida.
8. análise técnica: Alinhamento da célula
Nota: Manipulando a forma de tecido e campos de stress interno pode modular o alinhamento da célula, uma característica de muitos tecidos nativos.
A ótica do cortador do laser irá causar áreas gravadas para diminuíram ligeiramente dimensões como gravura a profundidade aumenta, e resultados em moldam as paredes com um chanfro muito sutil, devido a afilamento do raio laser. Isto ajudará a facilitar a remoção dos moldes molde PDMS, mas devem ser cuidadosamente ponderado se gravado profundamente negativos moldes mestre (> 6mm) são necessários (Figura 1).
Ao longo do tempo em cultura, construções compartimentadas irão compactar devido à matriz remodelar, embora a taxa e a extensão a que isto ocorre dependerá da composição do andaime, carga de célula e as condições de cultivo.
Remodelação da matriz pode ocorrer através de reorganização e degradação do circundante matriz (bem como deposição de nova matriz), mas é tipicamente associada com um aumento na rigidez mecânica devido à diminuição de área transversal. Com construções de colágeno somente compostas de colágeno de 1,6 mg/mL e 12 x 106 cardiomyocytes/mL, vemos construções compacto para 19,7 ± 2,8% da sua largura inicial durante os quatro dias após a fundição (Figura 2) através do ensaio de compactação. Enquanto este ensaio rende uma aproximação 2D representativa de um processo 3D, a facilidade de coleta de dados e de natureza não-destrutivos torná-lo uma poderosa ferramenta para estudar o processo de desenvolvimento de construção. Nota que, em condições de cultura celular, mesmo na ausência de células, mecânica de colágeno pode mudar ao longo do tempo devido a ambos auto-montagem e do cross-linking11. Fibrina pode ser rapidamente degradada pela fibrinólise tanto in vivo e em vitro se não na presença de um antifibrinolítico, tais como a aprotinina ou aminocaproico ácido12. Portanto, o impacto dos componentes do andaime no desenvolvimento de tecido de longo prazo e não apenas a formação de tecido, deve ser considerado ao selecionar uma formulação de construção. Se o tamanho final do tecido é importante para uma aplicação específica, a compactação também deve ser considerada no projeto de molde e empiricamente determinada com base na composição de matriz e tipo (s) a célula. Observe que essa compactação de tecido também pode induzir stress campos dentro do tecido, que pode ser manipulada em construções compartimentadas para incentivar o alinhamento da célula (Figura 4).
Uma ampla gama de concentrações de polímero de andaime e densidades de semeadura de pilha inicial ter sido usado para criar tecidos projetados na literatura, e isso pode ser atribuído principalmente aos requisitos diferentes para vários tipos de células, linhas celulares e aplicativos. Baseado no nosso próprio trabalho com derivados de hiPSC cardiomyocytes, acreditamos que uma concentração de colágeno de 1,25 mg/mL e uma densidade de semeadura de ~ 15 milhões de células/mL é uma boa partida ponto13. Alternativamente, fibrina é amplamente utilizada como um material de andaime do tecido cardíaco, bem como, tipicamente na faixa de 3-4 mg/mL14. Célula semeadura densidade pode ser selecionada com base em uma série de fatores, dependendo da aplicação, mas as densidades de células de tecidos nativos fornecem um ponto de referência boa. Também considere que soluções altamente concentrada de células podem tornar-se um desafio de trabalhar com, especialmente para pequenos volumes. Para uma população de determinada célula, pode ser ajustada a formulação do andaime; geralmente por aumentar a concentração de polímero quando os tecidos são muito frágeis ou quebrar sobre compactação e aumentando a concentração do polímero, quando os tecidos são muito duros ou falharem compactar15.
Antes de realizar a análise de mecânica passiva a qualquer momento ponto durante a cultura, pode ser apropriado para condição mecanicamente a amostra de construção. Pré-condicionamento de hidrogel de polímeros naturais e engenharia de tecidos aumentará a reprodutibilidade do teste resultado devido a viscoelasticidade material e fornecer uma melhor indicação das propriedades que a construção vai expor em uma clínica aplicação. Nós usamos 8 ciclos de tensão de 10% em uma forma de onda triangular a uma taxa de 10% tensão/min antes de iniciar a avaliação mecânica (Figura 3).
Tecido e célula-tipo morfologia específica pode ser avaliada através de histologia e imuno-histoquímica com métodos tradicionais. No entanto, encontramos que a otimização de quase todas as etapas da parafina processamento, incorporação, seccionamento, recuperação do antígeno e coloração foram necessárias para o tecido cardíaco projetado em relação ao chapeado células ou seccionado nativo tecido (Figura 4).
Figura 1 : Contorno do processo de concepção e preparação de moldes PDMS de laser corte acrílicos mestres. (A) projeto elaborado em formato gráfico de vetor do molde. (B) limpo mestre negativo acrílico gravado a laser. PDMS (C) lançar-se sobre a superfície do molde mestre acrílico gravada. (D) PDMS resultante do molde pronto para esterilização antes da cultura de tecidos. Baixo-relevo: vista superior, mesma escala. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Construir compactação ao longo do tempo na cultura. Imagens do (A) de construções retangulares, elaboradas em triplicado compactação ao longo do tempo na cultura. Sobreposições de verde representam máscaras usadas para calcular a área de construção visível para análise de imagem. (B) a parcela da área de construção (métrica bidimensional de construção compactação) ao longo do tempo. Linhas horizontais representam os valores médios e erro barras indicam o desvio padrão. Para todos os grupos, n = 3 e * indica p < 0.05 avaliado pela ANOVA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Raw traços de caracterização mecânica dos tecidos cardíacos engenharia. Inserções de exibem um rastreamento de contração contração representante único (mesmos eixos como trama principal). (A) ativo resposta mecânica resultante da rápida passos seguidos pelos porões em incrementos de tensão de 5%. (B) resposta mecânica passiva resultante de um teste de tração-para-pausa a uma taxa de 10% tensão/min. Todas as amostras foram analisadas em banho de solução de Tyrode de 37 ° C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : A parafina bloquear imagens de histologia para construções de engenharia de tecido cardíaco de vários projetos. Imagens de histologia de bloco de parafina para construções de engenharia de tecido cardíaco de vários projetos manchado com (A) hematoxilina e eosina, (B) diaminobenzidina (anticardíaca troponina T, marrom) e hematoxilina nuclear corante de contraste, (C ) picrosirius vermelhos mancha de colágeno com corante de contraste citoplasmática rápido verde e (D) Anticorpo de anti-α-actinin rato (verde) e 4' 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) nuclear corante de contraste (azul). Alinhamento de célula diferente como resultado a construção design e tecido de compactação. Barra de escala na aplica-se a B e C também. Baixo-relevo em D mostra cardiomyocytes estriado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Geometrias de molde PDMS personalizadas que são compatíveis com a cultura de tecidos tem grande utilidade na afinação Propriedades importante tecido de engenharia, tais como o alinhamento da célula, taxa de difusão e rigidez eficaz. Além disso, estes moldes são muito úteis para a preparação de tecidos para aplicações de análise em que a geometria é importante, como mecânico teste16,17. Preparar estes dispositivos de laser corta moldes mestre negativo oferece um método rápido, fácil e baixo custo de utilizar essas ferramentas, especialmente quando comparado com o tempo e o custo associado com microfabrication tradicional. Corte a laser também permite que um tamanho maior do molde máximo, limitado apenas pelo tamanho do cortador de cama. Com sucesso usamos estes moldes versáteis para executar uma grande variedade de estudos com engenharia tecidos cardíacos, incluindo mapeamento óptico de propagação do potencial de ação, avaliação da força de produção e passivo de propriedades mecânicas e implantação em um modelo do rato do miocárdio13,18. Reconhecemos que, para além do nicho de investigação de engenharia regenerativa cardiovascular, as aplicações para a engenharia de tecidos de campos, administração de medicamentos e materiais de pesquisa são vastas.
Embora existam poucos passos tecnicamente desafiadoras na fabricação dos moldes próprios, há uma série de passos críticos envolvidos na criação de tecidos funcionais. Se construções não compacta a matriz circundante após 24 h, primeiro confirme a viabilidade celular através de coloração de viabilidade dos tecidos projetados. Se a viabilidade celular é alta, considere alterar a composição de construção para o próximo conjunto de tecidos. Enquanto os resultados vão variar muito, dependendo da população celular, temos observado aumentada compactação associada com maiores densidades de semeadura e concentrações de colágeno. Finalmente, pode também ser útil complementar a população celular semeado com um tipo de célula adequado para a remodelação da matriz, tais como fibroblasto, para incentivar a compactação.
Uma limitação de nestes moldes é o potencial de PDMS adsorver pequenas moléculas hidrofóbicas. Enquanto para nossas aplicações isto não tem sido problemático, pode ser motivo de preocupação em ensaios muito sensíveis à perda destas moléculas. Nestes casos, adsorção de proteínas PDMS pode ser atenuada através de tratamento com um agente antifouling tais como polyhydrophilic ou polyzwitterionic de materiais19. Alternativamente, um molde PDMS esterilizado pode ser preparado como um mestre negativo (a partir de um molde positivo gravadas a laser) para um molde de cultura para ser convertido em outro, não adsorvente material, tais como agarose.
Os autores não têm nada para divulgar.
Os autores reconhecem que o financiamento do NIH R00 HL115123 e Brown University School of Engineering. Eles também são gratos ao Brown Design Workshop e Chris Bull para treinamento e suportam com o cortador do laser.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Item | |||
Bovine fibrinogen | Sigma | F8630-5G | Constructs |
Bovine thrombin | Sigma | T6634-250UN | Constructs |
Bovine aprotinin | Sigma | 10820-25MG | Constructs |
Rat tail collagen I, 4 mg/mL | Advanced Biomatrix | 5153-100MG | Constructs |
Sodim chloride | Fisher | BP358-10 | Constructs |
PBS | Life Technologies | 14190-250 | Constructs |
Fine forceps | Fine Science Tools | 11252-20 | Constructs |
Sylgard 184 silicone elastomer | Corning | 4019862 | PDMS Molds |
Lab tape | Fisher | 15-901-5R | PDMS Molds |
Acrylic, 1/4" thick | McMaster-Carr | 8560K356 | PDMS Molds |
HEPES Buffer, 1 M | Sigma | H3537-100ML | Constructs |
RPMI 1640 medium, powder | Fisher | 31800-089 | Constructs |
Calcium chloride dihydrate | Fisher | AC423520250 | Constructs |
Magnesium chloride hexahydrate | Fisher | M33 500 | Constructs |
Potassium chloride | Sigma | P9541-500G | Constructs |
Sodium phosphate dibasic heptahydrate | Sigma | S9390-500G | Constructs |
Glucose | Sigma | G5767-25G | Constructs |
OCT | VWR | 25608-930 | Histology |
Frozen block molds | VWR | 25608-916 | Histology |
Hematoxylin | Fisher | 3530 1 | Histology |
Eosin Y | Fisher | AC152880250 | Histology |
Fast green FCF | Fisher | AC410530250 | Histology |
Software | |||
Illustrator | Adobe Systems | Vector Graphics | |
Inkscape | (Open Source) | Vector Graphics | |
UCP (Universal Control Panel) | Universal Laser Systems | Laser Cutter Interface | |
Equipment | |||
PLS6.75 Laser Cutter | Universal Laser Systems | Laser Cutter | |
Micromechanical Analyzer | Aurora Scientific | 1530A with 5 mN load cell | Mechanical Analysis |
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