Synthese van Keratine-gebaseerde Nanovezel voor Biomedische Technologie
Summary
Electrospun nanovezels hebben een hoge oppervlak tot gewichtsverhouding, uitstekende mechanische integriteit gewicht en ondersteunen celgroei en proliferatie. Deze nanovezels hebben een breed scala van biomedische toepassingen. Hier fabriceren we keratine / PCL nanovezels, met behulp van de electrospinning techniek en karakteriseren van de vezels voor mogelijke toepassingen in de tissue engineering.
Abstract
Electrospinning, vanwege zijn veelzijdigheid en mogelijke toepassingen op diverse gebieden, wordt vaak gebruikt om nanovezels te fabriceren. De productie van deze poreuze nanovezels is van groot belang vanwege hun unieke fysisch-chemische eigenschappen. Hier werken wij de fabricage van keratine bevattende poly (ε-caprolacton) (PCL) nanovezels (dwz PCL / keratine composietvezel). Water oplosbare keratine werd eerst geëxtraheerd uit menselijk haar en gemengd met PCL in verschillende verhoudingen. De gemengde oplossing van PCL / keratine werd getransformeerd in nanofibrous membranen met behulp van een laboratorium ontworpen elektrospinproces opgezet. Vezelmorfologie en mechanische eigenschappen van de verkregen nanovezel waargenomen en gemeten met behulp van scanning elektronenmicroscopie en trekbank. Verder afbreekbaarheid en chemische eigenschappen van de nanovezel bestudeerd met FTIR. SEM beelden vertoonden uniform oppervlak morfologie PCL / keratinevezels van verschillende samenstellingen. De PCL / keratin vezels toonden ook uitstekende mechanische eigenschappen zoals modulus en faalpunt. Fibroblast cellen in staat waren om te bevestigen en te laten groeien en het blijkt een goede levensvatbaarheid van de cellen. Op basis van de kenmerken hierboven besproken, kunnen we stellen dat de sterk gemengde nanovezels van natuurlijke en synthetische polymeren een uitstekende ontwikkeling van composietmaterialen die kunnen gebruikt worden voor verschillende biomedische toepassingen kan vertegenwoordigen.
Introduction
Electrospinning wordt erkend als een gangbare methode voor het bereiken polymeer nanovezels. De vezels kunnen worden geproduceerd op nanoschaal en de vezel eigenschappen kunnen worden aangepast 1. Deze ontwikkelingen en de kenmerken van electrospun nanovezels zijn vooral interessant voor hun toepassingen in biomedische engineering geweest vooral in tissue engineering. De electrospun nanovezels bezitten overeenkomsten met de extracellulaire matrix en aldus bevorderen celhechting, migratie en proliferatie 2. Vanwege de gelijkenis van de extracellulaire matrix (ECM), kunnen electrospun vezels worden gebruikt als materialen om te helpen bij wondverbanden, geneesmiddelafgifte en voor engineering weefsels zoals lever, bot, hart, spier en 3.
Een grote verscheidenheid aan polymeren van synthetische en natuurlijke oorsprong zijn gebruikt om electrospun vezels voor verschillende biomedische toepassingen 4 maken. Onlangs er is gegroeid inlangstelling in de ontwikkeling van composiet nanovezels door het mengen van synthetische en natuurlijke polymeren 4. In deze preparaten met name de eindproducten erven de mechanische sterkte in verband met het synthetisch polymeer, terwijl ook de vaststelling van biologische signalen en de eigenschappen van de natuurlijke polymeer.
In dit experiment, PCL en keratine worden als synthetische en natuurlijke polymeren worden toegepast voor de synthese van een samengestelde nanovezel. Keratine is een natuurlijk polymeer dat wordt gevonden in het haar, wol en nagels. Het bevat vele aminozuurresten; opmerkelijke belangstelling is cysteïne 4,5. Idealiter een natuurlijk voorkomend polymeer zou biorenewable, biocompatibel en biologisch afbreekbaar zijn. Keratine bezit deze drie kenmerken tegelijkertijd verbeteren van celproliferatie en celhechting aan de biomaterialen het is in 6 opgenomen.
Polycaprolacton (PCL) is een resorbeerbaar synthetisch polymeer dat significanttissue engineering 4. Dit polymeer is eerder geprezen voor de structurele en mechanische stabiliteit, maar het mist cel affiniteit en vertoont een lang afbraaksnelheid. De hydrofobe aard van PCL is waarschijnlijk verantwoordelijk voor het gebrek aan affiniteit 7 cel. Echter, PCL maakt voor de beperkingen door zich zeer mengbaar met andere polymeren. Een PCL / keratine composiet moet de mechanische eigenschappen van PCL te tonen en op te nemen van de biologische eigenschappen van keratine, waardoor het een ideale keuze voor verschillende biomedische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Extractie van keratine van mensenhaar werd met succes bereikt. De perazijnzuur fungeerde als oxidatiemiddel op het menselijk haar, waardoor de keratine te extraheren door de Tris Base. De productie van keratine poeder werd kleinschalig door het feit dat het alleen gedaan voor onderzoeksdoeleinden. Deze procedure is reeds vastgesteld in de industrie voor grootschalige productie. Te onttrekken kleinschalige keratine was verontreiniging, batch variabiliteit en kosteneffectiviteit regelen.
Kerat…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Auteurs willen graag bedanken National Science Foundation door middel van Engineering Research Center for radicale Metallic Biomaterialen (ERC-0812348) en Nanotechnologie Undergraduate Education (EEG 1.242.139) voor de financiering van steun.
Materials
| Human Hair | N/A | N/A | Obtained from Local Barber Shop in Greensboro |
| Peracetic acid | Sigma Aldrich | N/A | |
| PCL (e-caprolactone polymer) | Sigma Aldrich | 502-44-3 | Mn 70-90 kDa |
| Trifluoroethanol (TFE) | Sigma Aldrich | 75-89-8 | |
| Tris Base (TrizmaTM Base Powder) | Sigma Aldrich | N/A | > 99.9% crystalline |
| Hydrochloric Acid | Fischer Scientific | A144C-212 Lot 093601 | Waltham, MA |
| Kwik-Sil | World Precision Instruments | N/A | Sarasota, FL |
| Cellulose membrane | Sigma Aldrich | N/A | 12-14 kDa molecular cutoff |
| optical microscope | Olympus BX51M | BX51M | Japan |
| scanning electron microscope | Hitachi SU8000 | SU8000 | Japan |
| Table-Top Shimadzu machine | North America Analytical and Measuring Instruments AGS-X series | AGS-X Series | Columbia, MD |
| Fourier transform infrared spectroscopy | Bruker Tensor 2 Instrument | N/A | Billerica, MA |
| Microcal Origin software | N/A | N/A | Northampton, MA |
| X-ray diffraction (XRD) | Bruker AXS D8 Advance X-ray Diffractometer | N/A | Madison, WI |
| Fibroblast 3T3 cell | American Tissue Type Culture Collection | N/A | Manassas, VA |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM | Invitrogen | N/A | Grand Island, NY |
| Spectra max Gemini XPS microplate reader | Molecular Devices | N/A | Sunnyvale, CA |
| Student- Newman-Keuls post hoc test | SigmaPlot 12 software | N/A | N/A |
References
- Huang, Z. -. M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos Sci Technol. 63, (2003).
- Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: a novel scaffold for tissue engineering. J Biomed Mater Res. 60, 613-621 (2002).
- Liu, W., Thomopoulos, S., Xia, Y. Electrospun nanofibers for regenerative medicine. Adv Healthc Mater. 1, 10-25 (2012).
- Edwards, A., Jarvis, D., Hopkins, T., Pixley, S., Bhattarai, N. Poly(-caprolactone)/keratin-based composite nanofibers for biomedical applications. J Biomed Mater Res B. 103, 21-30 (2015).
- Dowling, L. M., Crewther, W. G., Parry, D. A. Secondary structure of component 8c-1 of alpha-keratin. An analysis of the amino acid sequence. Biochem J. 236, 705-712 (1986).
- Yamauchi, K., Maniwa, M., Mori, T. Cultivation of fibroblast cells on keratin-coated substrata. J Biomat Sci-Polymer. 9, 259-270 (1998).
- Shea, L. D., Wang, D., Franceschi, R. T., Mooney, D. J. Engineered Bone Development from a Pre-Osteoblast Cell Line on Three-Dimensional Scaffolds. Tissue E. 6, 605-617 (2000).
- Fortin, M. -. J. New Biological Software. Q Rev Biol. 71, 169-170 (1996).
- Bhattarai, N., Edmondson, D., Veiseh, O., Matsen, F. A., Zhang, M. Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility. Biomaterials. 26, 6176-6184 (2005).
- Yang, S., Leong, K. F., Du, Z., Chua, C. K. The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional factors. Tissue E. 7, 679-689 (2001).
- Bhattarai, N., et al. Natural-Synthetic Polyblend Nanofibers for Biomedical Applications. Adv Mater. 21, 2792-2797 (2009).
