3D Biomaterial Microarrays for Regenerative Medicine: Current State-of-the-Art, Emerging Directions and Future Trends

Advanced Materials

Volumn 28, Issue 4, 2016, Pages 771-781

  Gaharwar, Akhilesh K ^a   Arpanaei, Ayyoob ^b   Andresen, Thomas L ^c   Dolatshahi Pirouz, Alireza ^c  

^a TEXAS A AND M UNIVERSITY   (United States)

^b NATIONAL INSTITUTE OF GENETIC ENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY   (Iran)

^c TECHNICAL UNIVERSITY OF DENMARK   (Denmark)

Author keywords

3D microarrays; 3D printing; biomaterials; microfabrication; tissue engineering

Indexed keywords

3D PRINTERS; BIOMIMETIC MATERIALS; BIOMIMETICS; CELL ENGINEERING; DIAGNOSIS; MICROFABRICATION; STEM CELLS; TISSUE; TISSUE ENGINEERING;

3-D MICROARRAY; 3-D PRINTING; BIOMATERIAL MICROARRAYS; MICROENVIRONMENTS; MINIATURIZED SYSTEMS; REGENERATIVE MEDICINE; STEM CELL DIFFERENTIATION; THREEDIMENSIONAL (3-D);

BIOMATERIALS;

BIOMIMETIC MATERIAL; MOLECULAR LIBRARY; SCLEROPROTEIN;

CELL DIFFERENTIATION; CELL SURVIVAL; CHEMISTRY; CYTOLOGY; DEVICES; DRUG EFFECTS; EMBRYONIC STEM CELL; HIGH THROUGHPUT SCREENING; HUMAN; MICROARRAY ANALYSIS; MOLECULAR LIBRARY; PROCEDURES; REGENERATIVE MEDICINE; TISSUE ENGINEERING; TISSUE SCAFFOLD; TOXICITY;

BIOMIMETIC MATERIALS; CELL DIFFERENTIATION; CELL SURVIVAL; EMBRYONIC STEM CELLS; EXTRACELLULAR MATRIX PROTEINS; HIGH-THROUGHPUT SCREENING ASSAYS; HUMANS; MICROARRAY ANALYSIS; REGENERATIVE MEDICINE; SMALL MOLECULE LIBRARIES; TISSUE ENGINEERING; TISSUE SCAFFOLDS;

EID: 84955672638     PISSN: 09359648     EISSN: 15214095     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/adma.201503918     Document Type: Article

References (94)

1. a) J. A. Hubbell, Nat Biotechnol. 1995, 13, 565;
2. b) Y. Xu, Y. Shi, S. Ding, Nature 2008, 453, 338;
3. c) C. Mason, E. Manzotti, Regener. Med. 2010, 5, 307;
4. d) C. Mason, P. Dunnill, Regener. Med. 2008, 3, 1;
5. e) M. Mimeault, R. Hauke, S. K. Batra, Clin. Pharmacol. Ther. 2007, 82, 252.
6. E. S. Place, N. D. Evans, M. M. Stevens, Nat. Mater. 2009, 8, 457.
7. a) S. Pina, J. M. Oliveira, R. L. Reis, Adv. Mater. 2015, 27, 1143;
8. b) J. F. Mano, G. A. Silva, H. S. Azevedo, P. B. Malafaya, R. A. Sousa, S. S. Silva, L. F. Boesel, J. M. Oliveira, T. C. Santos, A. P. Marques, N. M. Neves, R. L. Reis, J. R. Soc, Interface 2007, 4, 999.
9. M. P. Lutolf, J. A. Hubbell, Nat. Biotechnol. 2005, 23, 47.
10. M. M. Stevens, J. H. George, Science 2005, 310, 1135.
11. D. G. Anderson, S. Levenberg, R. Langer, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 863.
12. C. J. Flaim, S. Chien, S. N. Bhatia, Nat. Methods 2005, 2, 119.
13. Y. Mei, K. Saha, S. R. Bogatyrev, J. Yang, A. L. Hook, Z. I. Kalcioglu, S. W. Cho, M. Mitalipova, N. Pyzocha, F. Rojas, K. J. Van Vliet, M. C. Davies, M. R. Alexander, R. Langer, R. Jaenisch, D. G. Anderson, Nat. Mater. 2010, 9, 768.
14. J. R. Klim, L. Y. Li, P. J. Wrighton, M. S. Piekarczyk, L. L. Kiessling, Nat. Methods 2010, 7, 989.
15. Y. Mei, Mater. Today 2012, 15, 444.
16. a) X. F. Tian, B. C. Heng, Z. Ge, K. Lu, A. J. Rufaihah, V. T. W. Fan, J. F. Yeo, T. Cao, Scand. J. Clin. Lab. Inv. 2008, 68, 58;
17. b) H. Baharvand, S. M. Hashemi, S. K. Ashtian, A. Farrokhi, Int. J. Dev. Bio. 2006, 50, 645.
18. M. P. Lutolf, J. A. Hubbell, Nat. Biotech. 2005, 23, 47.
19. A. Ranga, S. Gobaa, Y. Okawa, K. Mosiewicz, A. Negro, M. P. Lutolf, Nat. Commun. 2014, 5.
20. A. Dolatshahi-Pirouz, M. Nikkhah, A. K. Gaharwar, B. Hashmi, E. Guermani, H. Aliabadi, G. Camci-Unal, T. Ferrante, M. Foss, D. E. Ingber, A. Khademhosseini, Sci. Rep. 2014, 4.
21. T. G. Fernandes, S. J. Kwon, S. S. Bale, M. Y. Lee, M. M. Diogo, D. S. Clark, J. M. S. Cabral, J. S. Dordick, Biotechnol. Bioeng. 2010, 106, 106.
22. S. Gobaa, S. Hoehnel, M. Roccio, A. Negro, S. Kobel, M. P. Lutolf, Nat. Methods 2011, 8, 949.
23. N. Gupta, B. F. Lin, L. M. Campos, M. D. Dimitriou, S. T. Hikita, N. D. Treat, M. V. Tirrell, D. O. Clegg, E. J. Kramer, C. J. Hawker, Nat. Chem. 2012, 4, 424.
24. L. Meli, H. S. C. Barbosa, A. M. Hickey, L. Gasimli, G. Nierode, M. M. Diogo, R. J. Linhardt, J. M. S. Cabral, J. S. Dordick, Stem Cell Res. 2014, 13, 36.
25. M. Y. Lee, R. A. Kumar, S. M. Sukumaran, M. G. Hogg, D. S. Clark, J. S. Dordick, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2008, 105, 59.
26. R. Hull, T. Chraska, Y. Liu, D. Longo, Mat. Sci. Eng. C-Bio. S. 2002, 19, 383.
27. Y. Soen, A. Mori, T. D. Palmer, P. O. Brown, Mol. Sys. Biol. 2006, 2.
28. a) C. Li, H. G. Shi, R. Ran, C. Su, Z. P. Shao, Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38, 9310;
29. b) X. Cui, K. Breitenkamp, M. Finn, M. Lotz, C. Colwell, D. D'Lima, Osteoarthr. Cartilage 2011, 19, S47;
30. c) R. The, S. Yamaguchi, A. Ueno, Y. Akiyama, K. Morishima, IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, IEEE, Tokyo, Japan, 2013, 502.
31. M. B. Oliveira, C. L. Salgado, W. L. Song, J. F. Mano, Small 2013, 9, 768.
32. C. L. Salgado, M. B. Oliveira, J. F. Mano, Integr. Biol. 2012, 4, 318.
33. L. F. Kang, M. J. Hancock, M. D. Brigham, A. Khademhosseini, J. Biomed. Mater. Res. A 2010, 93A, 547.
34. H. C. Moeller, M. K. Mian, S. Shrivastava, B. G. Chung, A. Khademhosseini, Biomaterials 2008, 29, 752.
35. Y. Y. Choi, B. G. Chung, D. H. Lee, A. Khademhosseini, J. H. Kim, S. H. Lee, Biomaterials 2010, 31, 4296.
36. M. Charnley, M. Textor, A. Khademhosseini, M. P. Lutolf, Integr.Biol. 2009, 1, 625.
37. Y. S. Hwang, B. G. Chung, D. Ortmann, N. Hattori, H. C. Moeller, A. Khademhosseini, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2009, 106, 16978.
38. S. H. Park, W. Y. Sim, B. H. Min, S. S. Yang, A. Khademhosseini, D. L. Kaplan, Plos One 2012, 7.
39. E. Figallo, C. Cannizzaro, S. Gerecht, J. A. Burdick, R. Langer, N. Elvassore, G. Vunjak-Novakovic, Lab on a Chip 2007, 7, 710.
40. C. Moraes, G. H. Wang, Y. Sun, C. A. Simmons, Biomaterials 2010, 31, 577.
41. B. Yuan, Y. Li, D. Wang, Y. Y. Xie, Y. Y. Liu, L. Cui, F. Q. Tu, H. Li, H. Ji, W. Zhang, X. Y. Jiang, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3715.
42. a) K. Woodruff, L. M. Fidalgo, S. Gobaa, M. P. Lutolf, S. J. Maerkl, Nat. Methods 2013, 10, 550;
43. b) J. H. Wu, I. Wheeldon, Y. Q. Guo, T. L. Lu, Y. N. Du, B. Wang, J. K. He, Y. Q. Hu, A. Khademhosseini, Biomaterials 2011, 32, 841.
44. a) P. Chhabra, R. G. Mirmira, K. L. Brayman, Curr. Opin. Organ Transplant. 2009, 14, 46;
45. b) P. Bianco, P. G. Robey, Nature 2001, 414, 118;
46. c) D. A. Robinton, G. Q. Daley, Nature 2012, 481, 295.
47. a) A. Dolatshahi-Pirouz, T. Jensen, D. C. Kraft, M. Foss, P. Kingshott, J. L. Hansen, A. N. Larsen, J. Chevallier, F. Besenbacher, ACS Nano 2010, 4, 2874;
48. b) M. J. Dalby, N. Gadegaard, R. Tare, A. Andar, M. O. Riehle, P. Herzyk, C. D. W. Wilkinson, R. O. C. Oreffo, Nat. Mater. 2007, 6, 997.
49. A. Dolatshahi-Pirouz, M. Nikkhah, K. Kolind, M. R. Dokmeci, A. Khademhosseini, J. Funct. Biomater. 2011, 2, 88.
50. a) D. E. Discher, L. Sweeney, S. Sen, A. Engler, Biophys. J. 2007, 32A;
51. b) D. E. Discher, Abstr. Pap. Am. Chem. Soc. 2006, 232;
52. c) A. J. Engler, S. Sen, H. L. Sweeney, D. E. Discher, Cell 2006, 126, 677;
53. d) S. Bagherifard, R. Gheichi, A. Khademhosseini, M. Guagliano, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 7963.
54. T. Jensen, A. Dolatshahi-Pirouz, M. Foss, J. Baas, J. Lovmand, M. Duch, F. S. Pedersen, M. Kassem, C. Bunger, K. Soballe, F. Besenbacher, Colloids Surf. B 2010, 75, 186.
55. a) K. Kolind, A. Dolatshahi-Pirouz, J. Lovmand, F. S. Pedersen, M. Foss, F. Besenbacher, Biomaterials 2010, 31, 9182;
56. b) T. Jensen, J. Baas, A. Dolathshahi-Pirouz, T. Jacobsen, G. Singh, J. V. Nygaard, M. Foss, J. Bechtold, C. Bunger, F. Besenbacher, K. Soballe, J. Biomed. Mater. Res. A 2011, 99, 94.
57. E. S. Place, N. D. Evans, M. M. Stevens, Nat. Mater. 2009, 8, 457.
58. T. G. Fernandes, M. M. Diogo, D. S. Clark, J. S. Dordick, J. M. S. Cabral, Trends Biotechnol. 2009, 27, 342.
59. a) C. R. Nuttelman, M. C. Tripodi, K. S. Anseth, Matrix Biol. 2005, 24, 208;
60. b) X. Q. Jia, Abstr. Pap. Am. Chem. Soc. 2011, 242.
61. K. Chatterjee, S. Lin-Gibson, W. E. Wallace, S. H. Parekh, Y. J. Lee, M. T. Cicerone, M. F. Young, C. G. Simon, Biomaterials 2010, 31, 5051.
62. a) A. K. Gaharwar, N. A. Peppas, A. Khademhosseini, Biotechnol. Bioeng. 2014, 111, 441;
63. b) P. Kerativitayanan, J. K. Carrow, A. K. Gaharwar, Adv. Healthcare Mater. 2015, 4, 1600;
64. c) J. K. Carrow, A. K. Gaharwar, Macromol. Chem. Phys. 2014, 3, 248.
65. a) J. R. Xavier, T. Thakur, P. Desai, M. K. Jaiswal, N. Sears, E. Cosgriff-Hernandez, R. Kaunas, A. K. Gaharwar, ACS Nano 2015, 9, 3109;
66. b) S. R. Shin, B. Aghaei-Ghareh-Bolagh, X. Gao, M. Nikkhah, S. M. Jung, A. Dolatshahi-Pirouz, S. B. Kim, S. M. Kim, M. R. Dokmeci, X. S. Tang, A. Khademhosseini, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 6136;
67. c) C. W. Peak, J. C. Carrow, A. Thakur, A. Singh, A. K. Gaharwar, Cell Mol Bioeng. 8, 404;
68. d) A. K. Gaharwar, R. Avery, A. Assmann, A. Paul, G. H. McKinley, A. Khademhosseini, B. D. Olsen, ACS Nano 8, 9833.
69. R. Censi, P. Di Martino, T. Vermonden, W. E. Hennink, J. Controlled Release 2012, 161, 680.
70. P. M. Rocha, V. E. Santo, M. E. Gomes, R. L. Reis, J. F. Mano, J. Bioact. Compat. Polym. 2011, 26, 493.
71. J. L. Drury, D. J. Mooney, Biomaterials 2003, 24, 4337.
72. T. Billiet, M. Vandenhaute, J. Schelfhout, S. Van Vlierberghe, P. Dubruel, Biomaterials 2012, 33, 6020.
73. a) C. G. Simon, S. Lin-Gibson, Adv. Mater. 2011, 23, 369;
74. b) Y. Yang, D. Bolikal, M. L. Becker, J. Kohn, D. N. Zeiger, C. G. Simon, Adv. Mater. 2008, 20, 2037.
75. C. G. Simon, Comb. Chem. High Throughput Screening 2009, 12, 533.
76. S. A. Wrighton, J. C. Stevens, Crit. Rev. Toxicol. 1992, 22, 1.
77. M. Fung, Drug. Inf. J. 2001, 35, 293.
78. a) K. A. Jessen, N. M. English, J. Y. Wang, S. Maliartchouk, S. P. Archer, L. Qiu, R. Brand, J. Kuemmerle, H. Z. Zhang, K. Gehlsen, J. Drewe, B. Tseng, S. X. Cai, S. Kasibhatla, Mol. Cancer Ther. 2005, 4, 761;
79. b) H. Mueller, M. U. Kassack, M. Wiese, J. Biomol. Screening 2004, 9, 506.
80. D. A. Dunn, I. Feygin, Drug Discovery Today 2000, 5, 84.
81. L. Meli, E. T. Jordan, D. S. Clark, R. J. Linhardt, J. S. Dordick, Biomaterials 2012, 33, 9087.
82. S. J. Kwon, D. W. Lee, D. A. Shah, B. Ku, S. Y. Jeon, K. Solanki, J. D. Ryan, D. S. Clark, J. S. Dordick, M. Y. Lee, Nat. Commun. 2014, 5.
83. D. Langle, J. Halver, B. Rathmer, E. Willems, D. Schade, ACS Chem. Biol. 2014, 9, 57.
84. P. Carmeliet, Nat. Med. 2003, 9, 653.
85. a) A. Lleo, E. Galea, M. Sastre, Cell Mol Life Sci. 2007, 64, 1403;
86. b) F. X. Sureda, F. Junyent, E. Verdaguer, C. Auladell, C. Pelegri, J. Vilaplana, J. Folch, A. M. Canudas, C. B. Zarate, M. Pallas, A. Camins, Curr. Pharm. Design 2011, 17, 230.
87. a) K. G. Saag, G. G. Teng, N. M. Patkar, J. Anuntiyo, C. Finney, J. R. Curtis, H. E. Paulus, A. Mudano, M. Pisu, M. Elkins-Melton, R. Outman, J. J. Allison, M. S. Almazor, S. L. Bridges, W. W. Chatham, M. Hochberg, C. Maclean, T. Mikuls, L. W. Moreland, J. O'Dell, A. M. Turkiewicz, D. E. Furst, Arthrit. Rheum.-Arthr. 2008, 59, 762;
88. b) L. W. Moreland, J. R. O'Dell, H. E. Paulus, J. R. Curtis, J. M. Bathon, E. W. St Clair, S. L. Bridges, J. Zhang, T. McVie, G. Howard, D. van der Heijde, S. S. Cofield, T. Investigators, Arthr. Rheum. 2012, 64, 2824.
89. a) M. B. Fisher, R. L. Mauck, Tissue Eng. Part B-Rev. 2013, 19, 1;
90. b) M. M. Stevens, Biophys. J. 2011, 100, 189.
91. K. Pataky, T. Braschler, A. Negro, P. Renaud, M. P. Lutolf, J. Brugger, Adv. Mater. 2012, 24, 391.
92. U. A. Gurkan, R. El Assal, S. E. Yildiz, Y. Sung, A. J. Trachtenberg, W. P. Kuo, U. Demirci, Mol. Pharmaceutics 2014, 11, 2151.
93. U. A. Gurkan, Y. T. Fan, F. Xu, B. Erkmen, E. S. Urkac, G. Parlakgul, J. Bernstein, W. L. Xing, E. S. Boyden, U. Demirci, Adv. Mater. 2013, 25, 1192.
94. M. B. Oliveira, M. P. Ribeiro, S. P. Miguel, A. I. Neto, P. Coutinho, I. J. Correia, J. F. Mano, Tissue Eng. Part C-Methods 2014, 20, 851.