One-Chip-Fits-All:水凝胶的生物制造纤维结构使用聚焦微流体流动

Cell-laden水凝胶微纤维结构由微流控技术代表了一个令人兴奋的方法来概括生物组织的结构和功能的微尺度。此外,他们是有价值的在不同的3 d建模环境中,如多细胞车厢在癌症模型。然而,创建一个广泛的多级超细纤维具有复杂形状和成分迄今为止只可能通过单独设计微流控的设置,经常需要调整。本文讨论了一种创新的生物制造方法,它使用一个三维水动力流聚焦芯片地和精确地生成不同的水凝胶配置特定的几何图形各种生物应用。

一个模子印出来的

水凝胶微纤维结构产生深远潜力在生物医学领域,因为他们可以使用模型尺寸、力学和复杂性不同的生物组织,疾病病理和详细的药物反应。例如,它可以制造melanoma-on-a-fiber模型使用一个三重丝带形状,模拟癌细胞的入侵行为在基底膜和基质微环境。

但是,先前的方法来创建不同的水凝胶几何图形使用二维水动力芯片目前的一些挑战,例如,许多形态需要他们自己的特定的微流体装置。以及这个传统的2 d芯片有一个简单的几何图形,所以可以生产超细纤维形状的范围非常有限。为了应对这些问题,另一个生物制造技术使用一个三维水动力流聚焦芯片开发,使旋转的水凝胶前体进入各种各样的多材料,multi-compartmental超细纤维与复杂的架构。¹

微流体的新维度

3 d流聚焦芯片微流控设备,通常用于生成极单分散液滴。在新的微流控生物制造方法,不同的解决方案通过四个独立渠道流的新3 d flow-focusing芯片(白云岩微流体),会议结生成3 d-focused流组成的所有输入液体(图1)。结结构减少表面污染通过创建一个3 d鞘流滴夹断,允许更长的滴生产时间和扩展芯片的生活。

图1:一个示意图3 d流聚焦芯片通道的组织和连接配置。

液流并纺在水凝胶的交联氯化钙浴纤维形成挤压走出出口通道。拉的流在更高的速度比旋转,可以达到相当大的规模减少,创造约2 - 3米的multi-compartmental水凝胶纤维直径测量不到50μm,最小的水凝胶纤维尺寸之一然而引用文献中(图2)。

图2:纤维可以减少规模从100年的不到50μmμm把水凝胶前体在更高的速度比它旋转,同时仍然保持其形状。

3 d流聚焦迄今已被证明是一个快速和有效的方式制造大量的三维结构,可以加工成无数小数组长度和用于不同的模型。可以创建一系列水凝胶纤维形状采用替代通道配置(图3)。

图3:获得所需的通道配置不同的水凝胶纤维形状:核壳(我),带(2),double-Janus (iii), tri-coaxial (iv),核壳(v)的两倍,和oil-core-hydrogel-shell (vi),使用的颜色代表了不同的解决方案,将描绘每个显微镜图像的左侧。背景气量,结冷胶蓝色微粒,rGG——结冷胶红微粒子。

结果发现,调节粘度的解决方案和应用也不同程度的压力分布光纤内的材料以截然不同的方式(图4)。这可再生产地生成的大量不同的隔间架构和超细纤维尺寸,从水凝胶和疏水核壳形状带状结构,包括许多以前未被注意的几何图形。然而,粘度和压力似乎并没有任何重大影响架构的范围,可以使用典型的2 d流聚焦芯片制造。

图4:压力的影响比率在核壳纤维间的相对大小(顶部)和丝带(底部)形态。内部通道外部通道压力比减少从左到右,导致内径或减少内部带厚度。用蓝色背景气量,结冷胶微粒子,rGG结冷胶胶与红色的微粒。

打开大门,新颖的应用程序

研究人员现在在更深的了解材料的影响,对超细纤维形状、粘度和压力,最终目标是能够预测的形态在不同的情况下产生了。流聚焦微流体的潜在癌症建模是另外被突显出由于日益增长的需求高度现实的组织模型。可以理解的是,制药公司正在实验新的分子和药物非常感兴趣在生活材料,是快速和容易制造,加快测试过程和减少开发一种新型治疗的总体成本。使用3 d流聚焦微流控生物制造的可行性分析构建组织工程模型比目前也正在探索可用。

这个原始生物制造生物应用程序,方法是高度相关的,因为它是第一个组装3 d结构方法单个细胞的大小和其它小生物结构,如血小动脉。3 d流因此聚焦一个强大和灵活的平台,可用于各种各样的组织和场景模型在体外,生产更加生动和真实的结果,并帮助科学家一步接近找到治疗多个条件。

参考:吉马良斯CF, Gasperini L,品牌美联社,Reis RL。3 d flow-focusing微流控生物制造:One-chip-fits-all水凝胶纤维结构。今天:母亲。2021;23:101013。doi:10.1016 / j.apmt.2021.101013

关于作者:

卡洛斯·f·吉马良斯3 b是一个博士后研究员的研究小组。他最近完成了组织工程学博士学位,再生医学和干细胞3 b的研究机构之间的合作,葡萄牙米尼奥大学和斯坦福大学金丝雀癌症早期检测中心。

卢卡Gasperini3 b是一个博士后研究员的研究小组。他有一个材料科学与工程博士学位授予特兰托在意大利大学的。他在3 b的研究小组工作,专门从事材料的生物医学应用。

亚历山德拉p .品牌在3 b的研究小组的首席研究员。她有资格在组织工程、再生医学和干细胞,干细胞,专业化的材料科学与技术博士学位——生物材料,并在生物化学理学学士。她是一个创始人兼首席研究员3 b的研究小组,葡萄牙米尼奥大学和她的研究兴趣集中在集成的知识干细胞组织工程和生物材料定义创新策略来改善皮肤伤口愈合。

鲁伊·l·里斯是一个完整的组织工程学教授,再生医学生物材料和米尼奥大学干细胞,葡萄牙。他也是3 b的研究小组的主任——研究所生物材料,生物降解和仿生学——葡萄牙。

理查德·格雷的业务发展总监Blacktrace Inc .)、美国英国Blacktrace集团办公室,包括白云石生物,白云岩微流体和粒子品牌工作。他是Blacktrace的两个创始人之一,成立于20年前将微流控技术商业化的广泛的科学应用。