オープンマイクロフルイディクスを用いた3Dハイドロゲル構造のレイヤー・バイ・レイヤー作製

Layer-by-layer fabrication of 3D hydrogel structures using open microfluidics.

抄録

パターン化された成膜と3D製造技術により、マイクロ流体、センサー、分離、組織工学など、形状が機能に適合する数多くの用途にハイドロゲルを使用することが可能になった。再構成可能なマイクロバルブや移植可能な組織のようなデバイスは、リソグラフィーや鋳造技術を用いて作られてきた。ここでは、表面張力を利用してハイドロゲル層を重ね合わせ、パターン化された3D構造に形成する、新しい開放型マイクロ流体パターン形成法を紹介する。既存のゲル層上に一時的に開いたマイクロ流体チャンネルを形成するパターニング・デバイスを用い、デバイス領域で未重合ゲルの制御された流れを可能にする。層のゲル化とデバイスの除去後、このプロセスを反復的に繰り返すことで、多層3D構造を作成することができる。個々の層の形状を定義するために、開放微小流体法と表面張力に基づく方法を用いることで、単純なピペットを用いて、デッドボリュームを最小限に抑えながらパターニングを行うことができる。われわれの方法は、未修飾（ネイティブ）の生体ハイドロゲルや、キャピラリーフローに適合する前駆体流体特性を持つ他の非生体材料に適合する。我々のオープン微小流体レイヤー・バイ・レイヤー作製法により、アガロース、I型コラーゲン、ポリマー・ペプチドの3D構造体を、非対称デザイン、多成分、オーバーハング機能、細胞を含む領域を特徴として構築する能力を実証する。

Patterned deposition and 3D fabrication techniques have enabled the use of hydrogels for a number of applications including microfluidics, sensors, separations, and tissue engineering in which form fits function. Devices such as reconfigurable microvalves or implantable tissues have been created using lithography or casting techniques. Here, we present a novel open-microfluidic patterning method that utilizes surface tension forces to form hydrogel layers on top of each other, into a patterned 3D structure. We use a patterning device to form a temporary open microfluidic channel on an existing gel layer, allowing the controlled flow of unpolymerized gel in device-regions. After layer gelation and device removal, the process can be repeated iteratively to create multi-layered 3D structures. The use of open-microfluidic and surface tension-based methods to define the shape of each individual layer enables patterning to be performed with a simple pipette and with minimal dead-volume. Our method is compatible with unmodified (native) biological hydrogels, and other non-biological materials with precursor fluid properties compatible with capillary flow. With our open-microfluidic layer-by-layer fabrication method, we demonstrate the capability to build agarose, type I collagen, and polymer-peptide 3D structures featuring asymmetric designs, multiple components, overhanging features, and cell-laden regions.