Name: gradient strain chip for stimulating cellular behaviors in cell-laden hydrogel
Uploaded: 2017-08-08T12:30:00.000+00:00
Duration: 13 min 28 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Gradient Strain Chip for Stimulating Cellular Behaviors in Cell-laden Hydrogel at JoVE.com

פרויקט זה נתמך על ידי בוגר סטודנט מחקר בחו ל התוכנית (NSC-101-2917-I-007-010); התוכנית הנדסה ביו-רפואית (NSC-101-2221-E-007-032-MY3); ואת התוכנית ננוטכנולוגיה הלאומי (NSC-101-2120-M-007-001-), המועצה הלאומית למדע של R.O.C., טייוואן. המחברים רוצה להודות פרופסור עלי Khademhosseini, Gulden Camci-Unal, Arghya פול, וליאו Ronglih בבית הספר לרפואה בהרווארד לשיתוף הטכנולוגיה כימוס הידרוג ותא.

1. GelMA Synthesis
<ol>
	<li>Weigh 10 g of gelatin powder and add it to a glass flask with 100 mL ofDulbecco&#39;s phosphate-buffered saline (DPBS). Put a magnetic stir bar into the flask and place the flask on a stirring hot plate.</li>
	<li>Cover the flask with aluminum foil to avoid water evaporation. Set the hot plate temperature to 50-60 &#176;C and the stirrer at 100 rpm for 1 h to dissolve the gelatin powder well.</li>
	<li>After the gelatin has dissolved, add 8 mL of methacrylic anhydride very slowly (one drop per second) using a pipette. Let it react at 60 &#176;C for 3 h.</li>
	<li>Add pre-warmed DPBS (40 &#176;C) to the flask to a final volume of 500 mL and allow this mix well for 15 min to stop the reaction.</li>
	<li>Meanwhile, cut a dialysis membrane (14 kDa cut-off molecular weight) into several 25 cm-long tubes. Immerse them in deionized (DI) water for 15 min and make a knot to close one end of the dialysis tubes.</li>
	<li>Load the appropriate amount (30 - 60 mL) of the polymer solution into the dialysis tubes and close the other end. Place them in a 5-L plastic beaker with DI water for a week. Renew the DI water twice a day and maintain the solution at 40 - 50 &#176;C during the dialysis process.</li>
	<li>Collect the solution from the tube in a 500-mL glass bottle. Pour ~450 - 500 mL of solution in a 500-mL filter cup (pore size of 0.22 &#181;m) and apply a vacuum to the filter cup to force the solution to pass through the filter membrane for sterilization.</li>
	<li>Transfer the sterilized polymer into several 50-mL sterilized tubes and store them in a -80 &#176;C freezer for 3 - 5 days.</li>
	<li>Freeze-dry the -80 &#176;C polymer for 1 week using a freeze dryer to form GelMA. Store the GelMA in a -80 &#176;C freezer.</li>
</ol>
2. 3-(Trimethoxysilyl)propyl Methacrylate (TMSPMA) Modification
<ol>
	<li>&#160;Cut commercial glass slides into two small pieces (25 mm x 37.5 mm) and immerse them in 0.5 M NaOH solution for 4 h. Wash the slides with a large amount of DI water.</li>
	<li>Place the slide on a rack inside a glass container with 95% ethanol and clean using an ultrasonicator at 43 kHz for 15 min. Air dry the glass slide.</li>
	<li>Immerse the glass slides in 5% TMSPMA in 99.5% ethanol for 1 h.</li>
	<li>Wash the slides in 95% ethanol, air dry the slides, and anneal the TMSPMA coating in an oven at 80 &#176;C for 2 h.</li>
</ol>
3. Chip Fabrication
<ol>
	<li>Take one 2 mm- and one 0.3 mm-thick polymethylmethacrylate (PMMA) plate, apply double-sided tape to one side of the PMMA surface, and release the liner on one side. Leave two 2 mm-thick PMMA plates and one 1 mm-thick plate without double-sided tape.</li>
	<li>Laser-cut a 2 mm-thick PMMA plate without double-sided tape to 42 mm x 30 mm to make the bottom plate. Cut a 2 mm-thick PMMA plate with double-sided tape to make the boundary frame, with outer dimensions of 42 mm x 30 mm and inner dimensions of 37.5 mm x 25 mm.</li>
	<li>Laser-cut the 0.3 mm-thick PMMA plate with double-sided tape into a 12-mm center circle with two 2 mm-wide and 8 mm-long flow channels on opposite sides of the circle (Figure 1a).</li>
	<li>To prepare the PMMA mold for casting the PDMS cover, assemble the three pieces of PMMA components from steps 3.2-3.3 (Figure 1b) using double-sided tape.</li>
	<li>Laser-cut a 2 mm-thick PMMA plate with double-sided tape into a 5 cm x 5 cm piece with a 3 x 3 array of 8.5 mm x 8.5 mm hollow rectangles. Cut another 5 cm x 5 cm piece with a 3 x 3 array of 4-mm hollow circles. Laser-cut a 1 mm-thick PMMA plate without double-sided tape into a 5 cm x 5 cm PMMA bottom plate.</li>
	<li>Prepare the PMMA mold for casting the PDMS plug by assembling the three pieces of PMMA components from step 3.5 (Figure 1c) using double-sided tape.</li>
	<li>Prepare the PDMS cover and PDMS plug by properly mixing 30 g of PDMS elastomer and 3 g of PDMS curing agent; degas the mixture under a vacuum chamber for 1 h.</li>
	<li>Cast 1.8-2.0 g of the mixture into the PMMA mold for the PDMS cover and use the appropriate amount to fill each cavity of the PMMA mold for the PDMS plug. Cast 10 g of uncured PDMS mixture in a blank 10-cm plastic plate. Put these molds in a vacuum chamber to degas for 30 min.</li>
	<li>Cure the PDMS for 2 h at 80 &#176;C. After cooling down the cured PDMS on the mold, detach the PDMS covers and the PDMS plugs from the PMMA molds.</li>
	<li>Punch two holes with diameters of about 3 mm at the ends of flow channels of the PDMS covers.</li>
	<li>Cut the PDMS sheet molded from the 10-cm plastic plate into many 1 cm x 1 cm cubes and punch a 3-mm hole in each PDMS cube. Glue two uncured 1 cm x 1 cm PDMS cubes onto the openings of the PDMS cover (to serve as medium reservoirs and to aid in the curing process of the gradient circular hydrogel patterns) and cure for 1 h at 80 &#176;C.</li>
	<li>Bond the PDMS covers with the two PDMS reservoirs onto a TMSPMA-coated slide by pre-treating the bonding side of the PDMS cover and the TMSPMA-coated slide under an oxygen plasma machine (30 W RF power (high mode) and 600 mTorr compressed air) or a high-frequency electronic corona generator (115 V, 50/60 Hz, 0.35 A) for 90 s of O2 plasma treatment.</li>
	<li>Contact the plasma-treated surface of the PDMS covers and the TMSPMA slide and press them closely for permanent bonding through the formation of an Si-O-Si bond. 
	NOTE: Placing the chip in an oven at 80 &#176;C for 1 h can further enhance the bonding strength.</li>
	<li>After cooling, immerse the chips in 95% ethanol for 15 min and air dry. Then, sterilize the chips under UV irradiation for 1 h and store them in a box wrapped in aluminum foil in the laminar hood.</li>
</ol>
4. Static Gradient Strain on the Cell-laden Hydrogel
<ol>
	<li>Print and cut a piece of photomask, 25 mm x 37.5 mm in size, by printing the layout in Figure 2b on a transparent film. Adjust the printed size of Figure 2b to match the dimension in Figure 2a.</li>
	<li>Prepare 100 mL of DMEM medium with 10% FBS, 1% Pen-Strep, and 250 mL of DPBS in a 37 &#176;C water bath to use as the cell culture medium.</li>
	<li>Weigh 25 mg of freeze-dried GelMA into 0.3 mL of prewarmed (37 &#176;C) cell culture medium in a 1.5-mL black microcentrifuge tube. Put the microcentrifuge tube on a laboratory stirrer/hot plate until the GelMA dissolves in the medium.</li>
	<li>Weigh 50 mg of photoinitiator into 1 ml of DPBS in a microcentrifuge tube and place it in an 80 &#176;C oven for 15 min or until the photoinitiator has dissolved.</li>
	<li>Take 25 &#181;L of the 10% photoinitiator from step 4.4 and add it to the microcentrifuge tube from step 4.3. Pipette several times to mix well.</li>
	<li>Count 3 x 106 NIH 3T3 cells using an automated cell counter. Centrifuge the suspension at 200 x g for 5 min, discard the supernatant, and re-suspend the cells in 175 &#181;L of cell culture medium.</li>
	<li>Add the cell solution from step 4.6 to the microcentrifuge tube from step 4.5 to get a prepolymer cell solution of 5% GelMA, 0.5% photoinitiator, and ~6 x 106 3T3 cells/mL. After mixing, load 100 &#181;L of cell prepolymer in a 100-&#181;L micro syringe.</li>
	<li>Manually align (see Figure 3a) a piece of the photomask onto the bottom slide of the sterilized gradient strain chip and simply fix the position using a small drop of DI water in between. Connect the 100-&#181;L micro-syringe loaded with prepolymer cell solution to the inlet of the chip.</li>
	<li>Place (see Figure 3b) 50 &#181;L of prepolymer cell solution in the flow channel using the micro-syringe and then plug the outlet using a PDMS plug. Inject an extra 40 &#181;L of solution to create a convex bulge in the circular PDMS membrane.</li>
	<li>Move the chip with the photomask (bottom), micro-syringe (inlet), and PDMS plug (outlet) from step 4.9 under a UV lamp (365 nm, 9 mW/cm2) and expose it for 30 - 45 s to crosslink the concentric circular hydrogel in the fluidic chamber.</li>
	<li>Remove the PDMS plug and the micro-syringe to release the liquid pressure (see Figure 3c). Use a 1-mL syringe loaded with prewarmed DPBS to wash out uncrosslinked resins 3 times by flushing from the inlet to the outlet.</li>
	<li>Fill the flow channel with about 100 &#181;L of cell culture medium.</li>
	<li>Place the chip in a sterilized culture dish and culture in a 5% CO2 atmosphere at 37 &#176;C for a week. Refresh the medium every day.</li>
	<li>Take images of three chips on day 0 after 4 h of incubation, as a control group, and three chips on day 3, as the experimental set, using a microscope with a 20X objective. Measure the line width of each hydrogel from line 1 to line 12 using software (e.g., ImageJ) to calculate the compress strains ( Figure 4). 
	NOTE: The elongation percentage is calculated by dividing the value of the line width difference between 40 &#181;L and 0 &#181;L by the line width at 40 &#181;L.</li>
</ol>
5. Cell Staining for Alignment Analysis
<ol>
	<li>Use a syringe to inject 4% paraformaldehyde (PFA) in DPBS at RT into the flow chip for 15 min for the fixation of the cell-laden hydrogel. 
	NOTE: Caution. PFA is toxic and should be handled with care.</li>
	<li>Replace the solution with 0.5% cell membrane permeating solution in DPBS for 10 min to permeabilize the cell membrane at RT.</li>
	<li>PBS wash the samples 3 times with 5- to 10-min interval between washes (using a loaded syringe, as in step 5.1).</li>
	<li>Load 1% BSA solution into the fluidic channel for 45-60 min at RT (using a loaded syringe through the inlet port).</li>
	<li>Add 1.5 mL of methanol into the vial with Alexa Fluor 488 phalloidin to yield a final concentration of 6.6 &#181;M stock solution.</li>
	<li>Take 5 &#181;L of Alexa Fluor 488 phalloidin from step 5.5 and dilute it in 200 &#181;L of DPBS with 0.1% BSA to form a final concentration of 0.165 &#181;M Alexa Fluor 488 phalloidin.</li>
	<li>Add 200 &#181;L of the mixture solution to the fluidic channel using a micropipette and incubate the chip at 37 &#176;C for 45 - 60 min for actin staining. PBS wash (as above) the samples 3 times.</li>
	<li>Prepare 1 &#181;g/mL DAPI in PBS, flow it through the chip, and stain cell nuclei at 37 &#176;C for 5 min.</li>
	<li>Pipette DPBS into the fluidic channel to wash out the staining solution and refill the fluidic chamber with PBS solution to take images with a fluorescence microscope.</li>
	<li>Capture the fluorescent images of the 3T3 cells in the hydrogels using an inverted fluorescence microscope under 40X magnification with a CCD detector and filter sets of ex/em at 488/520 nm and 358/461 nm for Alexa Fluor 488 phalloidin (actin) and DAPI (nucleus), respectively.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Simmons, C. S., Petzold, B. C., Pruitt, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microsystems+for+biomimetic+stimulation+of+cardiac+cells.">Microsystems for biomimetic stimulation of cardiac cells.</a> Lab Chip. 12 (18), 3235-3248 (2012).</li><li>Aubin, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Directed+3D+cell+alignment+and+elongation+in+microengineered+hydrogels.">Directed 3D cell alignment and elongation in microengineered hydrogels.</a> Biomaterials. 31 (27), 6941-6951 (2010).</li><li>Guan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+stimulation+of+the+cardiac+differentiation+of+mesenchymal+stem+cells+in+tissue+constructs+that+mimic+myocardium+structure+and+biomechanics.">The stimulation of the cardiac differentiation of mesenchymal stem cells in tissue constructs that mimic myocardium structure and biomechanics.</a> Biomaterials. 32 (24), 5568-5580 (2011).</li><li>Wan, C. R., Chung, S., Kamm, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differentiation+of+embryonic+stem+cells+into+cardiomyocytes+in+a+compliant+microfluidic+system.">Differentiation of embryonic stem cells into cardiomyocytes in a compliant microfluidic system.</a> Ann Biomed Eng. 39 (6), 1840-1847 (2011).</li><li>Huh, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstituting+organ-level+lung+functions+on+a+chip.">Reconstituting organ-level lung functions on a chip.</a> Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).</li><li>Li, X., Chu, J. S., Yang, L., Li, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+effects+of+mechanical+strain+on+neural+crest+stem+cells.">Anisotropic effects of mechanical strain on neural crest stem cells.</a> Ann. Biomed. Eng. 40 (3), 598-605 (2012).</li><li>Butcher, J. T., Barrett, B. C., Nerem, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Equibiaxial+strain+stimulates+fibroblastic+phenotype+shift+in+smooth+muscle+cells+in+an+engineered+tissue+model+of+the+aortic+wall.">Equibiaxial strain stimulates fibroblastic phenotype shift in smooth muscle cells in an engineered tissue model of the aortic wall.</a> Biomaterials. 27 (30), 5252-5258 (2006).</li><li>Ramon-Azcon, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gelatin+methacrylate+as+a+promising+hydrogel+for+3D+microscale+organization+and+proliferation+of+dielectrophoretically+patterned+cells.">Gelatin methacrylate as a promising hydrogel for 3D microscale organization and proliferation of dielectrophoretically patterned cells.</a> Lab Chip. 12 (16), 2959-2969 (2012).</li><li>Park, S. H., Sim, W. Y., Min, B. H., Yang, S. S., Khademhosseini, A., Kaplan, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chip-Based+Comparison+of+the+Osteogenesis+of+Human+Bone+Marrow-+and+Adipose+Tissue-Derived+Mesenchymal+Stem+Cells+under+Mechanical+Stimulation.">Chip-Based Comparison of the Osteogenesis of Human Bone Marrow- and Adipose Tissue-Derived Mesenchymal Stem Cells under Mechanical Stimulation.</a> PLoS One. 7 (9), e46689 (2012).</li><li>Gould, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+Strain+Anisotropy+Regulates+Valvular+Interstitial+Cell+Phenotype+and+Tissue+Remodeling+in+3D+Culture.">Cyclic Strain Anisotropy Regulates Valvular Interstitial Cell Phenotype and Tissue Remodeling in 3D Culture.</a> Acta Biomater. 8 (5), 1710-1719 (2012).</li><li>Kurpinski, K., Chu, J., Hashi, C., Li, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proc+Anisotropic+mechanosensing+by+mesenchymal+stemcells.">Proc Anisotropic mechanosensing by mesenchymal stemcells.</a> Natl Acad Sci USA. 103 (44), 16095-16100 (2006).</li><li>Sim, W. Y., Park, S. W., Park, S. H., Min, B. H., Park, S. R., Yang, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+pneumatic+micro+cell+chip+for+the+differentiation+of+human+mesenchymal+stem+cells+under+mechanical+stimulation.">A pneumatic micro cell chip for the differentiation of human mesenchymal stem cells under mechanical stimulation.</a> Lab Chip. 7 (12), 1775-1782 (2007).</li><li>Vader, D., Kabla, A., Weitz, D., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strain-Induced+Alignment+in+Collagen+Gels.">Strain-Induced Alignment in Collagen Gels.</a> PLoS One. 4 (6), e5902 (2009).</li><li>Aguado, B. A., Mulyasasmita, W., Su, J., Lampe, K. J., Heilshorn, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+viability+of+stem+cells+during+syringe+needle+flow+through+the+design+of+hydrogel+cell+carriers.">Improving viability of stem cells during syringe needle flow through the design of hydrogel cell carriers.</a> Tissue Eng Part A. 18 (7-8), 806-815 (2012).</li><li>Wan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic-Based+Synthesis+of+Hydrogel+Particles+for+Cell+Microencapsulation+and+Cell-Based+Drug+Delivery.">Microfluidic-Based Synthesis of Hydrogel Particles for Cell Microencapsulation and Cell-Based Drug Delivery.</a> Polymers. 4 (2), 1084-1108 (2012).</li><li>Moraes, C., Wang, G., Sun, Y., Simmons, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfabricated+platform+for+high-throughput+unconfined+compression+of+micropatterned+biomaterial+arrays.">A microfabricated platform for high-throughput unconfined compression of micropatterned biomaterial arrays.</a> Biomaterials. 31 (3), 577-584 (2010).</li><li>Keung, A. J., Kumar, S., Schaffer, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Presentation+Counts:+Microenvironmental+Regulation+of+Stem+Cells+by+Biophysical+and+Material.+Cues.">Presentation Counts: Microenvironmental Regulation of Stem Cells by Biophysical and Material. Cues.</a> Annu Rev Cell Dev Biol. 26, 533-556 (2010).</li><li>Segers, V. F., Lee, R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stem-cell+therapy+for+cardiac+disease.">Stem-cell therapy for cardiac disease.</a> Nature. 451 (7181), 937-942 (2008).</li><li>Hsieh, H. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gradient+static-strain+stimulation+in+a+microfluidic+chip+for+3D+cellular+alignment.">Gradient static-strain stimulation in a microfluidic chip for 3D cellular alignment.</a> Lab Chip. 14 (3), 482-493 (2014).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

בנייר זה, מדווחים על גישה פשוטה כדי להשוות בהתנהגות התא יישור לאחר הידרוג הצורה והכוונה מתיחה מתיחה. קרום PDMS גמיש יוצר של עקמומיות בצורת כיפה ליצירת בגבהים שונים של hydrogels מעגלית קונצנטריים. לאחר שחרור הלחץ, קרום PDMS כוח מחיל באופן אוטומטי על hydrogels בדוגמת מיקרו ליצירת מעבר צבע למתח/התארכות, עם מקסימום במרכז, מינימום על הגבול החיצוני. היווצרות של המתח הדרגתי הוא תוכנן על ידי קרום PDMS גמיש והטיפול השבב fluidic, ישנם מספר פרמטרים חשובים, זה צריך להיות נוכחת כדי: (i) שליטה מדויקת על העובי של PDMS קרום הוא חיוני כדי להתאים את הערך מעבר צבע למתח. אם הקרום עבה מדי, אפילו הזרקת מרבית נפח התא prepolymer לא תהיה אפשרות לייצר עקומה קמורה נאות קרום PDMS עבור crosslinking מעבר לגובה עמוסי תא hydrogels. לעומת זאת, קרום דק יותר מדי PDMS אין אפשרות להחיל מספיק כוח כדי hydrogels. אנא בדוק כי המשקל של PDMS משומרים בתוך כייר כיסוי PDMS הוא בסביבות 1.6-2.0 גרם לכל שבב. (ii) מניעת זיהום חשוב מאוד בזמן טיפול crosslink הידרוג עמוסי תא בשבב fluidic. לפני תא culturing בחממה, ביסודיות כביסה עם PBS סטיריליים בערוץ fluidic ושימוש 75% אתנול לנגב את המשטח של השבב יכול לעזור למנוע את נושא זיהום. (iii) את הריכוז של photoinitiator, את המינון של חשיפה UV צריך להיזהר ונשלטת בטווח של ~0.1% - 2% (0.5% מומלץ). נגמר-crosslinking את הידרוג, ומינון יתר את הקרנת UV תגרום הכדאיות תא נמוך. (iv) הקו-הרוחב של הידרוג בדוגמת לא צריכה להיות גדולה מדי. אחרת, קצב החלפת מזין hydrogels עבה לא יוכלו לתמוך התפשטות תאים. בדרך כלל, מומלץ פחות מ-300 מיקרומטר. המרווח בין שני מעגלים הידרוג יכולים להיות מגוונים, מחזור 50% חובה מומלץ. (v) בזמן כביסה או מילוי ערוץ הזרימה עם פתרון, יש להימנע היווצרות בועות. Pipetting בעדינות את הפתרון בשבב יכול לעזור להסיר את הבועות.
הרעיון של הדרגתיות המתח שנוצר על ידי עקמומיות מעוותים PDMS ניתן לשדרג עוד יותר בהחלת זנים מעבר צבע דינמי, ניתן לשלב עם גירוי ביוכימי, אשר יכולים להפיק תועלת מחקרים רבים בנושא התחדשות רקמות פונקציונלי. ניתן להחליף את המודול הזרקת fluidic פשוטה עם תקע PDMS כל מערכת fluidic מתקדמות לבקרת ניסיוני המורחבת. ניתן להחליף את התבנית PMMA גם תבנית microfabricated SU-8 או תבנית סיליקון נחרטו בצובר.
השבב מעבר צבע למתח הזה עם הידרוג עמוסי תא מעגלית ניתן להפיק כוח compressive סטטי הידרוג 3D ללא מכונות מכאני או חשמלי חיצוני. לכן, הוא מספק פלטפורמה ההקרנה מהר על חקירת תא התנהגויות בסדרה של תנאים זן, ללא הסיכון של בעיות זיהום הנגרם על ידי פעולת מכונות חיצוני. עם זאת, גירוי זן שבשליטת הזמן אינו בר השגה כי קרום PDMS יוצר זנים עד ההשפלה של הידרוג.

הגשה כחומר בלוק המחקה יליד microenvironment, הידרוג המכיל מטריצה חוץ-תאית (ECM) מחדש לבנות ביונים פיגומים רקמות כדי לתמוך צמיחת תאים. להחזיק את הפונקציות של רקמה, יישור תא מאורגנת היא מהדרישות. שונים 2D (קרי, תאים תרבותי על משטח), 3D (קרי, תאים במארז של הידרוג) יישורי הושגו על ידי culturing או לבצע התאים או על מצעים גמיש עם מיקרו- או ננו-דפוסי1. תא 3D היישור המיקרו-ארכיטקטורה הוא אטרקטיבי יותר, כמו microenvironment קרובה יותר רקמה מקורית לבנות2,3,4. גישה נפוצה אחת עבור יישור תא 3D הוא הסימן גיאומטרי של הידרוג-צורה-2,-3. בשל השטח מוגבל עבור התפשטות תאים כיוון קצר-ציר, תאים במטרה ליישר לאורך לכיוון ציר זמן ב- הידרוג בדוגמת מיקרו. גישה אחרת היא להחיל מתיחה מתיחה hydrogels כדי להשיג יישור תא במקביל כיוון מתיחה4,5.
גירוי ביופיזיקלי על hydrogels ECM, כגון זן compressive או שדה חשמלי, יכולים לווסת פונקציות תא השילוב הרקמה הנכונה, התפשטות של בידול1,2,3. מחקר רב נעשה על מנת לחקור התנהגות הסלולר על-ידי החלת תנאי זן אחד בכל פעם באמצעות מספר בקרה מכנית יחידות4,6,7,8,9. לדוגמה, השימוש מכני שלב מוטורס סחוט או שרוע על הידרוג קולגן אנקפסולציה תא תלת-ממד הייתה נפוצה לגשת7,10. עם זאת, ציוד שליטה כזה דורש שטח נוסף ופונה הנושא של מזהמים החממה7,9,11,12. בנוסף, המכשיר גדול לא יכול לתת סביבה שליטה מדויקת כדי לספק הפארמצבטית גבוהה13.
בהתחשב בכך כי עמוסי תא hydrogels בדרך כלל המועסקים על המיקרו-סולם ביו יישומים, זה יתרון לשילוב MEMS טכניקות כדי ליצור מגוון של זן/מתיחה גירוי לחקור בו זמנית תא התנהגויות ביונים 3D בונה במבחנה2,14,15,16,17,18. לדוגמה, באמצעות גז בלחץ כדי לעוות את הקרום PDMS צ ' יפס microfluidic יכולים להצמיח זנים שונים, נהיגה תאית התמיינות שושלות שונות9,16. עם זאת, ישנם אתגרים טכניים רבים, כגון תהליכי ייצור השבב מסובך חדר נקי ושילוב בקרת התוכנה של מנועים, משאבות, שסתומים, גזים דחוסים.
בעבודה זאת, נדגים בגישה פשוטה להשיג שבב microfluidic סטטי-זן הדרגתיות מתוספי על ידי העסקת דפוס הידרוג מעגלית קונצנטריים ו קרום PDMS גמיש. שלא כמו רוב הגישות הקיימות, הפלטפורמה שלנו הוא התקן נייד, חד פעמית מיניאטורי זה יכול להיות מפוברק מחוץ חדר צהוב, זה הנו עצמי יצירת זנים מעבר צבע על קונצנטריים אנקפסולציה תא hydrogels, ללא ציוד מכני חיצוניים במהלך הדגירה. 3T3 פיברובלסט תא התנהגויות השפיעו על ידי שילוב של הידרוג צורה, מגוון רחב של הדרכה מתיחה מתיחה רמזים היו הפגינו במהלך הצפיה תא היישור בתוך סביבות תלת-ממד ECM-מימטי בשבב מעבר צבע למתח במשך 3 ימים.

<table><tbody><tr><td>1.5 mL black microcentrifuge tube</td><td>Argos Technologies&amp;nbsp;</td><td>03-391-161</td><td>This one can be replaced with a neutral color of 1.5 mL tube covered with aluminun foil</td></tr><tr><td>10x DPBS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>56064C</td><td></td></tr><tr><td>Alexa Fluor 488 phalloidin&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>A12379&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>BSA</td><td>Sigma</td><td>A1595</td><td></td></tr><tr><td>Calcein</td><td>Molecular Probe</td><td>C1430</td><td>For labeling viable cells</td></tr><tr><td>CCD</td><td>PCO. Imaging</td><td>Pixelfly qe</td><td></td></tr><tr><td>Cell membrane permeating solution</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>X100</td><td>0.5% Triton X-100 for permeating cell membrane</td></tr><tr><td>DAPI</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D8417</td><td>Cell nucleus staining</td></tr><tr><td>Dialysis membrane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D9527</td><td>Molecular weight cut-off = 14,000</td></tr><tr><td>DMEM</td><td>Gibco</td><td>11995-065</td><td></td></tr><tr><td>Double-side tape</td><td>3M</td><td>8003</td><td></td></tr><tr><td>FBS</td><td>Hyclone</td><td>SH30071.03</td><td></td></tr><tr><td>Gelatin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G2500</td><td>gel strength 300, type A, from porcine skin</td></tr><tr><td>High frequency electronic corona generator</td><td>Electro-technic products</td><td>MODEL BD-20</td><td></td></tr><tr><td>Methacrylic Anhydride</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>276685</td><td></td></tr><tr><td>Micro syringe</td><td>Hamilton</td><td>80501</td><td>50 &amp;mu;L&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Olympus</td><td>IX71</td><td>Include two filter sets: LF405/LP-B-000 and LF488/LP-C-000 from Semrock</td></tr><tr><td>Oxygen plasma machine</td><td>Harrick plasma</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>Paraformaldehyde</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P6148</td><td>For fixing cell</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>DOW CORNING</td><td>Sylgard 184</td><td>Mixture for PDMS chip cast-molding fabrication</td></tr><tr><td>Pen-Strep</td><td>Gibco</td><td>10378-016</td><td>penicillin/streptomycin</td></tr><tr><td>Photoinitiator</td><td>CIBA</td><td>Irgacure 2959</td><td></td></tr><tr><td>Propidium iodide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P4170</td><td>For labeling dead cells</td></tr><tr><td>Sterile Filtration cup</td><td>Millipore</td><td>SCGPT05RE</td><td></td></tr><tr><td>TMSPMA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440159</td><td>For hydrogel immobilization</td></tr><tr><td>Ultrasonicator</td><td>Delta</td><td>D150H</td><td>150W, 43kHz</td></tr><tr><td>UV light</td><td>DAIHAN</td><td>WUV-L10</td><td></td></tr><tr><td>Freeze Dryer</td><td>FIRSTEK</td><td>150311025</td><td></td></tr><tr><td>NIH3T3(fibroblast)</td><td>Food Industry Research and Development Institute(FIRDI)</td><td>08C0011</td><td></td></tr><tr><td>MOXI Z Mini Automated Cell Counter</td><td>ORFLO</td><td>MXZ001</td><td></td></tr></tbody></table>

gradient strain chip for stimulating cellular behaviors in cell-laden hydrogel

הדרכה מלאכותי יישור הסלולר היא נושא חם בתחום של הנדסת רקמות. רוב המחקרים הקודמים חקרה יחיד זן-induced הסלולר יישור הידרוג עמוסי התא באמצעות תהליכים מורכבים ניסיוני מסה למערכות שליטה, אשר יהיו משויכת בדרך כלל בעיות זיהום. לפיכך, במאמר זה, אנו מציעים גישה פשוטה לבניית מתח סטטי מעבר צבע באמצעות שבב fluidic עם כיסוי פלסטיק PDMS מצע זכוכית שקופה UV על הגירוי של התנהגות הסלולר הידרוג תלת-ממד. Prepolymer תא patternable-צילום להעמיס בבית הבליעה fluidic ניתן להפיק קמורה קרום PDMS מעוקל על השער. לאחר UV crosslinking, דרך micropattern מעגלית קונצנטריים תחת קרום PDMS מעוקל, מאגר הכביסה, microenvironment עבור תא חוקר התנהגויות תחת מגוון רחב של זנים הדרגתיות מעוגנת עצמית שבב fluidic יחיד, ללא מכשירים חיצוניים. NIH3T3 התאים היו הפגינו לאחר התבוננות לשינוי המגמה יישור הסלולר תחת הדרכתו גאומטריה, בשיתוף פעולה עם זן גירוי, אשר בין 15-65% על hydrogels. לאחר דגירה 3 ימים, הגיאומטריה הידרוג שלטה היישור תא בלחץ נמוך compressive, שבו תאים מיושרים לאורך כיוון התארכות הידרוג בלחץ גבוה compressive. בין אלה, התאים הראה היישור אקראי בשל פיזור של ההדרכה רדיקלית של הידרוג התארכות והדרכה הגיאומטריה של הידרוג בדוגמת.

כדי להשוות את הווריאציות מכני בין כל הידרוג מעגלית בשבב גירוי שהושלמו זן הדרגתיות, אנחנו נמדדים את רוחב הקו כל הידרוג מעגלית בשני שבבי זהה, עם הזרקת כרכים של 0 µL (איור 4a), 40 µL (איור 4b), בהתאמה. Elongations אחוז על כל עיגול היו מחושב על ידי חלוקה של elongations בשבב 40 הזריק µL רוחב הקו hydrogels המתאימה ב- 0 µL הזרקת השבב (איור 4 c). הידרוג היא חומר וחישובים, כך המתח קבלנות אנכי יהיה שווה ערך ל המתח התארכות לרוחב. לכן, elongations אחוז בשבב עם נפח הזרקה 40-µL להראות התארכות 15-65%, אשר ניתן להמיר את המתח compressive (ראה 1 קובץ משלים).
פלורסנט מכתים של גרעין התא, F-אקטין עם דאפי, phalloidin, בהתאמה, נעשה כדי לנתח את היישור הסלולר. ההכתמה דאפי סיפק נתונים על התמצאות גרעינית, ההכתמה phalloidin הוחל להעריך תא מתפשטת. איור 5a -c מציג את היישור תא השבב מעבר צבע למתח. בשורה 1, התאים 3T3 מיושרים לאורך בכיוון רדיאלי. ב הידרוג 7, התאים מיושר באופן אקראי, התאים מיושר לאורך הכיוון המעגלי בשורה 12. בהתאם, פלורסנט צביעת תמונות, התגלה משמרת ב- 90 ° מהזווית של יישור התא של תאי 3T3 בשורה 1 (אלונגציה מרבית הידרוג בכיוון רדיאלי) לזווית יישור של התאים עם ציר זמן היישור קו 12 (הנמוך התארכות הידרוג בכיוון רדיאלי).
2,הקודמת מחקר9, תאים hydrogels בדוגמת קו 200-מיקרומטר במטרה ליישר לאורך כיוון ציר זמן הידרוג. עם זאת, במחקר זה, הבחנו כי רצועת מוארך על hydrogels 200-מיקרומטר בכיוון ציר קצר סיפקה גורם נוסף כדי להשפיע על ותשלטו היישור התאית על ידי שליטה האחוז של הלחץ על הידרוג. לזן של 65% בקו 1, היישור הרדיקלי הוכיח כי התארכות למתוח הידרוג חולש על היישור בתא. לזן של 15% על קו 12, מעגלי יישור הוכיח כי האפקט ארוך-ציר נשלט היישור בתא. לזן של 40% על הידרוג 7, התאים מיושר באופן אקראי בשל הניטרול של האפקט זן והכוונה גאומטריה.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/53715/53715fig1.jpg"> 
איור 1 . PMMA עובש אמא עבור גיליון PDMS פבריקציה תקע. (א) הרכיבים הנפרדים של כייר PMMA, כולל צלחת התחתון, גבול מסגרת, ערוץ זרימה. לאחר ההרכבה עם סרט הדבקה דו-צדדי, נוצר (b) , התבנית אמא PMMA הגיליון זרימה. (ג) עובש PMMA אחר שמתארגנת בשביל לחבר PDMS. המספר האדום מייצג את העומק. (יחידה: מ מ) <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/53715fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/53715/53715fig2.jpg"> 
איור 2 . Photomask פלסטיק, לעיצוב Micropattern הידרוג עמוסי תא. ישנם שני פתחים עם צורות משולש (2 מ מ ובשורה התחתונה ו- 6.5 מ מ גובה) מתחבר ערוצי זרימה לספק תא טריים תרבות בינוני. (א) photomask פלסטיק מסומן עם הממד. התקופה של המעגל קונצנטריים היא 400 ננומטר, את המחזור הוא 50%. הקוטר של מעגל מרכז הוא 2 מ מ. (b) הפריסה photomask, בלי תוויות עבור הדפסת לייזר על סרט פלסטיק שקוף. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/53715fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/53715/53715fig3.jpg"> 
איור 3. תהליכי ייצור של המילוי ההדרגתי זן עמוסי תא הידרוג לאורך בכיוון רדיאלי של שבב Fluidic PDMS. (א) photomask פלסטיק מיושר, תקוע מתחת השבב עם ערוץ fluidic מצופים TMSPMA. מזרק מיקרו עם פתרון תא prepolymer מוכנס לתוך הים של השבב ויש להזרקת µL כ-50 כדי למלא את ערוץ הזרימה. (b) בשקע של ערוץ הזרימה סגורה עם PDMS הכנס µL 40 נוספים של פתרון תא prepolymer מוזרק. הזכוכית היא בדוגמת UV ב-30 s כדי לפברק את הידרוג מעגלית קונצנטריים בשבב זרימה. (ג) הלחץ נוזלי הוא שוחרר בתעלה זרימה על ידי ניתוק לשקע, התערובת של האו ם-crosslinking נשטף עם DPBS. (ד) שבב עם זן הדרגתיות סטטי חלה קונצנטריים עמוסי תא hydrogels כי הם מוכנים culturing התא. במהלך תהליך crosslinking UV, נוצר (e) בגובה הדרגה לא רציפה של הידרוג לאורך הרדיוס. (ו) לאחר ניתוק לשקע, קרום PDMS הופך שטוח ומחיל מתח מעבר צבע על hydrogels התא-אנקפסולציה. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/53715fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/53715/53715fig4.jpg"> 
באיור 4. מעבר הצבע התארכות הידרוג טהור. כאשר רוחב קו התארכות והאחוזים של הידרוג טהור ללא עיטוף תא במעבר הצבע זן שבב ביום 3 עם (א) 0-µL (קבוצת הביקורת) ואמצעי אחסון הזרקה של 40-µL (b) . (ג) אחוז התארכות הוא מחושב על ידי חלוקת הערך של ההבדל ברוחב הקו בין 40 µL 0 µL לפי קו רוחב 40 µL. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/53715fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/53715/53715fig5.jpg"> 
איור 5 . תמונות מלון פלורסנט הכתם אקטין-גרעין של 3T3 תאים במארז האסימונים מעבר צבע על יום 3. הכיוון יישור תא (-ג) קו 1 (d-f) קו 7, (g-i) קו 12 לחשוף יישור רדיאלי, יישור אקראי ויישור מעגלית, בהתאמה. הצבעים ירוק וכחול להראות את הכתמים אקטין, גרעין, בהתאמה. הקו הלבן המנוקד מייצג את הגבול של הידרוג. סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/53715fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
משלים איור 1. חישוב שכדור בצורת כיפה PDMS. H(x): העקומה קמורה PDMS; H0: ההבדל הגובה בין הכיפה PDMS לפני ואחרי דפורמציה; r: הרדיוס של הכיפה; V: הזרקת יתר אמצעי האחסון של האזור הכחול, הגורמת להרכב PDMS כמו כיפה. לפרטים, ראה 1 קובץ משלים . <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/Supplementary_Figure_1.tif" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד את הדמות הזו.</a>
קובץ משלים 1. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53715/Supplementary_File_1-SI.docx" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Gradient Strain Chip for Stimulating Cellular Behaviors in Cell-laden Hydrogel at JoVE.com

Gradient Strain Chip for Stimulating Cellular Behaviors in Cell-laden Hydrogel

מאמר זה מציג גישה פשוטה כדי מתן לא רציפה זנים סטטי מעבר צבע על הידרוג קונצנטריים עמוסי התא לווסת תא היישור עבור הנדסת רקמות.

מעבר צבע למתח שבב עבור מגרה בהתנהגויות הסלולר של הידרוג עמוסי תא

Artificial guidance for cellular alignment is a hot topic in the field of tissue engineering. Most of the previous research has investigated single ...

gradient-strain-chip-for-stimulating-cellular-behaviors-cell-laden

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.9K Views.  National Tsing Hua University. מאמר זה מציג גישה פשוטה כדי מתן לא רציפה זנים סטטי מעבר צבע על הידרוג קונצנטריים עמוסי התא לווסת תא היישור עבור הנדסת רקמות.

Video: Gradient Strain Chip for Stimulating Cellular Behaviors in Cell-laden Hydrogel

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or fundamental cell biology studies is limited by current bioreactor technologies, which cannot simultaneously apply a variety of mechanical stimuli to cultured cells. In order to address this issue, we have developed a series of microfabricated platforms designed to screen for the effects of mechanical stimuli in a high-throughput format. In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and further demonstrate how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

פלטפורמות microfabricated לתרבות Cell דינמי מכאני

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

A Gradient-generating Microfluidic Device for Cell Biology

 The fabrication and operation of a gradient-generating microfluidic device for studying cellular behavior is described.  A microfluidic platform is an enabling experimental tool, because it can precisely manipulate fluid flows, enable high-throughput experiments, and generate stable soluble concentration gradients.  Compared to conventional gradient generators, poly(dimethylsiloxane) (PDMS)-based  microfluidic devices can generate stable concentration gradients of growth factors with well-defined profiles.  Here, we developed simple gradient-generating microfluidic devices with three separate inlets.  Three microchannels combined into one microchannel to generate concentration gradients.  The stability and shape of growth factor gradients were confirmed by fluorescein isothyiocyanate (FITC)-dextran with a molecular weight similar to epidermal growth factor (EGF).  Using this microfluidic device, we demonstrated that fibroblasts exposed to concentration gradients of EGF migrated toward higher concentrations.  The directional orientation of cell migration and motility of migrating cells were quantitatively assessed by cell tracking analysis.  Thus, this gradient-generating microfluidic device might be useful for studying and analyzing the behavior of migrating cells.

We describe a protocol for the microfabrication of the gradient-generating microfluidic device that can generate spatial and temporal gradients in well-defined microenvironment. In this approach, the gradient-generating microfluidic device can be used to study directed cell migration, embryogenesis, wound healing, and cancer metastasis.

התקן Gradient מניבות Microfluidic עבור ביולוגיה של התא

 The fabrication and operation of a gradient-generating microfluidic device for studying cellular behavior is described.  A microfluidic platform is an ...

Biology

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other physical or chemical stimuli. They have been commonly used for in vitro cell studies by providing in vivo like surroundings. Especially, how cells response to chemical gradients, electrical fields, and shear stresses has drawn many interests since these phenomena are important in understanding cellular properties and functions. These microfluidic chips can be made of glass substrates, silicon wafers, polydimethylsiloxane (PDMS) polymers, polymethylmethacrylate (PMMA) substrates, or polyethyleneterephthalate (PET) substrates. Out of these materials, PMMA substrates are cheap and can be easily processed using laser ablation and writing. Although a few microfluidic devices have been designed and fabricated for generating multiple, coexisting chemical and electrical stimuli, none of them was considered efficient enough in reducing experimental repeats, particular for screening purposes. In this report, we describe our design and fabrication of two PMMA-based microfluidic chips for investigating cellular responses, in the production of reactive oxygen species and the migration, under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli. The first chip generates five relative concentrations of 0, 1/8, 1/2, 7/8, and 1 in the culture regions, together with a shear stress gradient produced inside each of these areas. The second chip generates the same relative concentrations, but with five different electric field strengths created within each culture area. These devices not only provide cells with a precise, controllable micro-environment but also greatly increase the experimental throughput.

Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.

עיצוב מכשירי microfluidic ללימוד ותגובות ניידות תחת בית או להתאבדות כימית / חשמל / שאר מתח גירויים

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

A Microfluidic Platform for Stimulating Chondrocytes with Dynamic Compression

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth plate cartilage architecture and results in growth modulation of long bones of children. To determine the role of compressive stress in bone growth, we created a microfluidic device actuated by pneumatic pressure, to dynamically (or statically) compress growth plate chondrocytes embedded in alginate hydrogel cylinders. In this article, we describe detailed methods for fabricating and characterizing this device. The advantages of our protocol are: 1) Five different magnitudes of compressive stress can be generated on five technical replicates in a single platform, 2) It is easy to visualize cell morphology via a conventional light microscope, 3) Cells can be rapidly isolated from the device after compression to facilitate downstream assays, and 4) The platform can be applied to study mechanobiology of any cell type that can grow in hydrogels.

This article provides detailed methods for fabricating and characterizing a pneumatically actuating microfluidic device for chondrocyte compression.

פלטפורמת מיקרופלואידיג לעירור כונדרוציטים עם דחיסה דינמית

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth ...

Traction Microscopy Integrated with Microfluidics for Chemotactic Collective Migration

Cells change migration patterns in response to chemical stimuli, including the gradients of the stimuli. Cellular migration in the direction of a chemical gradient, known as chemotaxis, plays an important role in development, the immune response, wound healing, and cancer metastasis. While chemotaxis modulates the migration of single cells as well as collections of cells in vivo, in vitro research focuses on single-cell chemotaxis, partly due to the lack of the proper experimental tools. To fill that gap, described here is a unique experimental system that combines microfluidics and micropatterning to demonstrate the effects of chemical gradients on collective cell migration. Furthermore, traction microscopy and monolayer stress microscopy are incorporated into the system to characterize changes in cellular force on the substrate as well as between neighboring cells. As proof-of-concept, the migration of micropatterned circular islands of Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells is tested under a gradient of hepatocyte growth factor (HGF), a known scattering factor. It is found that cells located near the higher concentration of HGF migrate faster than those on the opposite side within a cell island. Within the same island, cellular traction is similar on both sides, but intercellular stress is much lower on the side of higher HGF concentration. This novel experimental system can provide new opportunities to studying the mechanics of chemotactic migration by cellular collectives.

Collective cell migration in development, wound healing, and cancer metastasis is often guided by the gradients of growth factors or signaling molecules. Described here is an experimental system combining traction microscopy with a microfluidic system and a demonstration of how to quantify the mechanics of collective migration under biochemical gradient.

מיקרוסקופ גרירה משולב עם מיקרופלואידיקה עבור הגירה קולקטיבית כימוטקטיק

Cells change migration patterns in response to chemical stimuli, including the gradients of the stimuli. Cellular migration in the direction of a chemical ...

Controlled Strain of 3D Hydrogels under Live Microscopy Imaging

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized in vitro stretching methods. Various available systems use 2D substrate-based stretchers, while the accessibility of 3D techniques to strain soft hydrogels, is more restricted. Here, we describe a method that allows external stretching of soft hydrogels from their circumference, using an elastic silicone strip as the sample carrier. The stretching system utilized in this protocol is constructed from 3D-printed parts and low-cost electronics, making it simple and easy to replicate in other labs. The experimental process begins with polymerizing thick (&#62;100 &#956;m) soft fibrin hydrogels (Elastic Modulus of ~100 Pa) in a cut-out at the center of a silicone strip. Silicone-gel constructs are then attached to the printed-stretching device and placed on the confocal microscope stage. Under live microscopy the stretching device is activated, and the gels are imaged at various stretch magnitudes. Image processing is then used to quantify the resulting gel deformations, demonstrating relatively homogenous strains and fiber alignment throughout the gel&#8217;s 3D thickness (Z-axis). Advantages of this method include the ability to strain extremely soft hydrogels in 3D while executing in situ microscopy, and the freedom to manipulate the geometry and size of the sample according to the user&#8217;s needs. Additionally, with proper adaptation, this method can be used to stretch other types of hydrogels (e.g., collagen, polyacrylamide or polyethylene glycol) and can allow for analysis of cells and tissue response to external forces under more biomimetic 3D conditions.

The presented method involves uniaxial stretching of 3D soft hydrogels embedded in silicone rubber while allowing live confocal microscopy. Characterization of the external and internal hydrogel strains as well as fiber alignment are demonstrated. The device and protocol developed can assess the response of cells to various strain regimes.

זן מבוקר של הידרוג'ל תלת מימדי תחת הדמיה מיקרוסקופית חיה

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized ...

Microfluidic Model to Mimic Initial Event of Neovascularization

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the initial stage varies dramatically from the following process of neovascularization. Although there are plenty of models to simulate different stages of neovascularization, an in vitro 3D model that capitulates the initial process of neovascularization under the corresponding stimulations of normal vasculature microenvironments is still lacking. Here, we reconstructed an in vitro 3D model that mimics the initial event of neovascularization (MIEN). The MIEN model contains a microfluidic sprouting chip and an automatic control, highly efficient circulation system. A functional, perfusable microchannel coated with endothelium was formed and the process of sprouting was simulated in the microfluidic sprouting chip. The initially physiological microenvironment of neovascularization was recapitulated with the microfluidic control system, by which ECs would be exposed to high luminal shear stress, physiological transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distributions simultaneously. The MIEN model can be readily applied to the study of neovascularization mechanism and holds a potential promise as a low-cost platform for drug screening and toxicology applications.

Here, we provide a microfluidic chip and an automatically controlled, highly efficient circulation microfluidic system that recapitulates the initial microenvironment of neovascularization, allowing endothelial cells (ECs) to be stimulated by high luminal shear stress, physiological level of transendothelial flow, and various vascular endothelial growth factor (VEGF) distribution simultaneously.

מודל מיקרופלואידי לחקות אירוע ראשוני של ניאו-סקולריזציה

Neovascularization is usually initialized from an existing normal vasculature and the biomechanical microenvironment of endothelial cells (ECs) in the ...

Mechanical Stimulation of Chondrocyte-agarose Hydrogels

Articular cartilage suffers from a limited repair capacity when damaged by mechanical insult or degraded by disease, such as osteoarthritis. To remedy this deficiency, several medical interventions have been developed. One such method is to resurface the damaged area with tissue-engineered cartilage; however, the engineered tissue typically lacks the biochemical properties and durability of native cartilage, questioning its long-term survivability. This limits the application of cartilage tissue engineering to the repair of small focal defects, relying on the surrounding tissue to protect the implanted material. To improve the properties of the developed tissue, mechanical stimulation is a popular method utilized to enhance the synthesis of cartilaginous extracellular matrix as well as the resultant mechanical properties of the engineered tissue. Mechanical stimulation applies forces to the tissue constructs analogous to those experienced in vivo. This is based on the premise that the mechanical environment, in part, regulates the development and maintenance of native tissue1,2. The most commonly applied form of mechanical stimulation in cartilage tissue engineering is dynamic compression at physiologic strains of approximately 5-20% at a frequency of 1 Hz1,3. Several studies have investigated the effects of dynamic compression and have shown it to have a positive effect on chondrocyte metabolism and biosynthesis, ultimately affecting the functional properties of the developed tissue4-8. In this paper, we illustrate the method to mechanically stimulate chondrocyte-agarose hydrogel constructs under dynamic compression and analyze changes in biosynthesis through biochemical and radioisotope assays. This method can also be readily modified to assess any potentially induced changes in cellular response as a result of mechanical stimuli.

The biosynthesis of cartilaginous extracellular matrix by chondrocytes can be affected by application of mechanical stimuli. This method describes the technique of applying dynamic compressive strains to chondrocytes encapsulated in 3D constructs and the evaluation of induced changes in chondrocyte metabolism.

גירוי מכאני של הידרוג Chondrocyte-agarose

Articular cartilage suffers from a limited repair capacity when damaged by mechanical insult or degraded by disease, such as osteoarthritis. To remedy ...

Pattern Generation for Micropattern Traction Microscopy

Micropattern traction microscopy allows control of the shape of single cells and cell clusters. Furthermore, the ability to pattern at the micrometer length scale allows the use of these patterned contact zones for the measurement of traction forces, as each micropatterned dot allows for the formation of a single focal adhesion that then deforms the soft, underlying hydrogel. This approach has been used for a wide range of cell types, including endothelial cells, smooth muscle cells, fibroblasts, platelets, and epithelial cells. 
This review describes the evolution of techniques that allow the printing of extracellular matrix proteins onto polyacrylamide hydrogels in a regular array of dots of prespecified size and spacing. As micrometer-scale patterns are difficult to directly print onto soft substrates, patterns are first generated on rigid glass coverslips that are then used to transfer the pattern to the hydrogel during gelation. First, the original microcontact printing approach to generate arrays of small dots on the coverslip is described. A second step that removes most of the pattern to leave islands of small dots is required to control the shapes of cells and cell clusters on such arrays of patterned dots. 
Next, an evolution of this approach that allows for the generation of islands of dots using a single subtractive patterning step is described. This approach is greatly simplified for the user but has the disadvantage of a decreased lifetime for the master mold needed to make the patterns. Finally, the computational approaches that have been developed for the analysis of images of displaced dots and subsequent cell-generated traction fields are described, and updated versions of these analysis packages are provided.

We describe improvements to a standard method for measuring cellular traction forces, based on microcontact printing with a single subtractive patterning step of dot arrays of extracellular matrix proteins on soft hydrogels. This method allows for simpler and more consistent fabrication of island patterns, essential for controlling cell cluster shape.

יצירת תבניות למיקרוסקופיית מתיחה מיקרופטרן

Micropattern traction microscopy allows control of the shape of single cells and cell clusters. Furthermore, the ability to pattern at the micrometer ...

חקר קשיחות רקמות והשפעות עקת גזירה על תאי אנדותל

In Vitro Model Integrating Substrate Stiffness and Flow to Study Endothelial Cell Responses

We present an innovative in vitro model aimed at investigating the combined effects of tissue rigidity and shear stress on endothelial cell (EC) function, which are crucial for understanding vascular health and the onset of diseases such as atherosclerosis. Traditionally, studies have explored the impacts of shear stress and substrate stiffness on ECs, independently. However, this integrated system combines these factors to provide a more precise simulation of the mechanical environment of the vasculature. The objective is to examine EC mechanotransduction across various tissue stiffness levels and flow conditions using human ECs. We detail the protocol for synthesizing gelatin methacrylate (GelMA) hydrogels with tunable stiffness and seeding them with ECs to achieve confluency. Additionally, we describe the design and assembly of a cost-effective flow chamber, supplemented by computational fluid dynamics simulations, to generate physiological flow conditions characterized by laminar flow and appropriate shear stress levels. The protocol also incorporates fluorescence labeling for confocal microscopy, enabling the assessment of EC responses to both tissue compliance and flow conditions. By subjecting cultured ECs to multiple integrated mechanical stimuli, this model enables comprehensive investigations into how factors such as hypertension and aging may affect EC function and EC-mediated vascular diseases. The insights gained from these investigations will be instrumental in elucidating the mechanisms underlying vascular diseases and in developing effective treatment strategies.

זרקור המחבר: שילוב קשיחות המצע ותנאי זרימה לחקר תגובות תאי אנדותל במכנוביולוגיה וסקולרית

We synthesized and characterized a tunable gelatin-based substrate for culturing vascular endothelial cells (ECs) under relevant vascular flow conditions. This biomimetic surface replicates both physiological and pathological conditions, enabling the study of mechanical forces on EC behavior and advancing our understanding of vascular health and disease mechanisms.

מודל In Vitro המשלב קשיחות מצע וזרימה לחקר תגובות תאי אנדותל

We present an innovative in vitro model aimed at investigating the combined effects of tissue rigidity and shear stress on endothelial cell (EC) function, ...