甲基丙烯酸酐化明膠（GelMA）生物3D打印操作教程

來源： EFL生物3D打印與生物制造

甲基丙烯酸酐化明膠(GelMA)已成為生物3D打印領(lǐng)域的一種常用生物墨水。為了提升科研人員的生物3D打印效率，EFL團(tuán)隊總結(jié)了我們實驗室各種GelMA打印的Protocols，其中包括GelMA微球、GelMA纖維、GelMA復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和GelMA凝膠基微流控芯片的制備。

甲基丙烯酸酐化明膠(GelMA) 已成為生物3D打印中最通用的材料，GelMA最初由Van Den Bulkke等人于2000年提出。這種材料的來源是明膠（由哺乳動物的膠原蛋白水解而成）。因此，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列和基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）的靶序列保留在分子鏈上，有助于實現(xiàn)細(xì)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在可見光照下3-5s快速固化成膠。EFL團(tuán)隊受邀發(fā)表文章，總結(jié)了我們實驗室的各種GelMA打印方法及流程，其中包括GelMA微球、GelMA纖維、GelMA復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和GelMA凝膠基微流控芯片的制備。利用EFL-BP66系列的微納尺度打印機(jī)，可靈活方便地打印GelMA微球。利用EFL-BP66系列+同軸打印模塊，GelMA纖維在粘性海藻酸鈉的輔助下也可高效制造。利用EFL-BP86系列生物3D打印機(jī)可批量打印復(fù)雜的水凝膠三維結(jié)構(gòu)。此外，將凝膠水凝膠與傳統(tǒng)的微流控芯片相結(jié)合，通過二次交聯(lián)的方法可構(gòu)建基于GelMA凝膠的生物微流控芯片。

論文題為“Protocols of 3D Bioprinting of GelatinMethacryloyl Hydrogel Based Bioinks”在實驗視頻期刊《Journalof Visualized Experiments (JOVE)》發(fā)表，謝明君博士生為一作，賀永教授為通訊作者。為了更好的普及各類GelMA結(jié)構(gòu)的制造，EFL團(tuán)隊也一并錄制了相關(guān)視頻。視頻中GelMA微球制備由謝明君博士演示操作，GelMA纖維制備由邵磊博士演示操作、GelMA復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制備由喻康博士及孫元博士演示操作，GelMA凝膠基微流控芯片制備由聶晶博士演示操作。

一、GelMA微球的制備
在制備凝膠微球的過程中，利用外加電場力將GelMA液滴分散。液滴落入接收的硅油中時可保持標(biāo)準(zhǔn)的球形，沒有拖尾。這是因為凝膠滴屬于水相，而硅油屬于油相。在兩相之間形成的表面張力使凝膠滴保持標(biāo)準(zhǔn)的球體形狀。對于載細(xì)胞微球，從染色的乳腺癌細(xì)胞（MDA-MB-231s）細(xì)胞的形態(tài)（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，包裹的乳腺癌細(xì)胞保持良好的伸展能力，驗證了這種電輔助制備方法的生物相容性。

圖1 GelMA微球的制備(EFL-BP66系列微納尺度打印機(jī)打印)

二、GelMA纖維的制備
在GelMA纖維制備過程中，GelMA和海藻酸鈉溶液分別在同軸噴嘴的內(nèi)外噴嘴中流動。由于海藻酸鈉比GelMA具有更高的粘度，GelMA在海藻酸鈉溶液中的流動受到限制并保持線形。在光照（405 nm波長）條件下，內(nèi)部GelMA交聯(lián)并形成GelMA纖維（圖2）。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）被包裹在GelMA纖維中，可以看到，包封的BMSCs在制備過程后保持著良好的伸展能力。

圖2 GelMA纖維的制備（EFL-BP6600系列+同軸打印模塊）

三、GelMA復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制備
DLP打印機(jī)以其更高的精度被廣泛應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。EFL團(tuán)隊將DLP打印機(jī)用于構(gòu)建形狀更為復(fù)雜的GelMA三維結(jié)構(gòu)（圖3），通過計算機(jī)輔助設(shè)計軟件構(gòu)建“鼻子”、“耳朵”和“多室”的三維結(jié)構(gòu)模型，并將其導(dǎo)入DLP打印軟件中，構(gòu)建各類具有復(fù)雜形狀的GelMA結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建的GelMA結(jié)構(gòu)的表面上接種人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs），可發(fā)現(xiàn)附著在凝膠材料上的細(xì)胞鋪展。這表明，利用DLP打印機(jī)建立具有復(fù)雜形狀的GelMA三維結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖3 GelMA復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制備（EFL-BP86系列生物3D打印機(jī)制備）

四、GelMA凝膠基微流控芯片的制備
傳統(tǒng)的微流控芯片是基于不具有生物降解性能的材料（即樹脂、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））構(gòu)建的。EFL團(tuán)隊提出基于二次交聯(lián)策略的GelMA凝膠基微流控芯片（圖4）。生物墨水中的兩個組分（GelMA和明膠）相繼交聯(lián)，通過按需設(shè)計的不同模具制造出具有各種微通道的芯片。同樣的，在構(gòu)建的流道內(nèi)表面接種人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs），可發(fā)現(xiàn)細(xì)胞可流入通道并附著在內(nèi)流道壁上，形成宏觀血管形狀。

圖4 GelMA凝膠基微流控芯片的制備

文章鏈接：
https://doi.org/10.3791/60545