Tre-dimensionel Biomimetic Teknologi: Novel Biorubber Opretter Defineret mikro- og makro-skala Architectures i Collagen Hydrogeler

Summary

An innovative biofabrication technique was developed to engineer three-dimensional constructs that resemble the architectural features, components, and mechanical properties of in vivo tissue. This technique features a newly developed sacrificial material, BSA rubber, which transfers detailed spatial features, reproducing the in vivo architectures of a wide variety of tissues.

Abstract

Vævsstilladser spiller en afgørende rolle i vævsregenerering processen. Den ideelle stillads skal opfylde flere krav såsom at have en ordentlig sammensætning, målrettet modul, og veldefinerede arkitektoniske træk. Biomaterialer der rekapitulere iboende arkitektur af in vivo væv er afgørende for at studere sygdomme samt at lette regeneration af tabte og misdannet blødt væv. Et hidtil ukendt biofabrication teknik blev udviklet som kombinerer stade billeddannelse, tredimensionale (3D) udskrivning, og selektiv enzymatisk aktivitet til at skabe en ny generation af biomaterialer til forskning og klinisk anvendelse. Det udviklede materiale, okseserumalbumin gummi, er reaktion injiceres i en form, der værner specifikke geometriske funktioner. Dette offer materiale muliggør tilstrækkelig overførsel af arkitektoniske træk til en naturlig stillads materiale. Prototypen består af en 3D-collagen stillads med 4 og 3 mm kanaler at ReprESENT en forgrenet arkitektur. Dette papir lægger vægt på brugen af ​​denne biofabrication teknik til frembringelse af naturlige konstruktioner. Denne protokol udnytter en computerstøttet software (CAD) at fremstille en fast form, der vil være reaktion injiceret med BSA gummi efterfulgt af den enzymatiske fordøjelse af gummi, efterlader de arkitektoniske træk inden stilladset materiale.

Introduction

I vævet ingeniørområdet evnen til at fremstille vævsstilladser er afgørende. En egnet væv stillads har en 3D-struktur, er sammensat af biokompatible materialer, og efterligner in vivo vævsarkitekturen at lette celler og væv vækst og remodeling. Dette stillads skal tillade transport af næringsstoffer og fjernelse af affald ^1-4. En af de væsentligste hindringer for produktionen af ​​disse stilladser er evnen til at rekapitulere specifikke geometriske elementer i et biokompatibelt materiale. Adskillige biofabrication teknikker er blevet rapporteret til at styre de geometriske karakteristika ved disse scaffolds, er eksempler elektrospinding ^5-8, opløsningsmiddel-støbning ^9, stereolitografi ^10, og 3D-trykning ^11, blandt andre. Disse teknikker kommer til kort i at yde en forholdsvis nem overførsel af styrbare interne og eksterne arkitektoniske træk, er dyre, er begrænset af deres opløsning og trykbarhed ( <em> f.eks dyse gauge, materiale begrænsning), eller kræver post-fremstillingsteknik som kræver en lang periode af tid til at producere levedygtige stilladser ^12.

I mange kommercielle fabrikation systemer, er oprettelsen af ​​interne hulrum, kanaler og funktioner opnås ved anvendelse af sand eller andre egnede aftagelige eller offer materialer. Metallet eller plastdelen er dannet omkring sandformen, og når det er størknet, bliver sandet fjernes. På samme måde, den næste generation af biomaterialer brug for biosand tilsvarende. Derfor blev BSA gummi udviklet som en erstatning for biosand. BSA gummi er en nyligt formuleret materiale, der består af okseserumalbumin tværbundet med glutaraldehyd. Det endelige mål er at genskabe specifikke arkitektoniske træk i en biologisk nedbrydelig collagen stillads. Egenskaberne ved det hellige biorubber der opretholder dimensional nøjagtighed med formen af ​​det oprindelige væv, er beskrevet.

<p class = "jove_content"> Adskillige kombinationer af BSA og glutaraldehyd koncentrationer blev testet ved anvendelse af forskellige opløsningsmidler. Dette materiale blev oprettet af reaktionen mellem BSA og glutaraldehyd. BSA gummi kan være reaktion injiceres i de indviklede geometrier af vævet forme. Tværbundet BSA trypsin labil og let fordøjet af enzymet ved milde pH- og temperaturforhold. Omvendt intakt type I collagen er meget modstandsdygtig over for trypsin fordøjelse. Disse funktioner blev kapitaliseret til selektivt at fjerne BSA gummi forlader kollagen bag. Den nuværende arbejde bestod i at bestemme de ideelle parametre, der er nødvendige for at opnå en labil støbeform, der kan levere specifikke arkitektoniske funktioner til en biokompatibel stillads. De særlige forhold, der blev evalueret inkluderet blandbarhed, enzymfordøjelse, lastbærende og evne til at være reaktion injiceres i en negativ-form. Kombinationen af ​​30% BSA og 3% glutaraldehyd opfylder disse krav. Denne protokol giver den necessAry retningslinjer for at skabe disse tredimensionelle stilladser. Prototypen består af et collagen stillads, der repræsenterer en forgrenet arkitektur med en indstrømning og to udstrømningskanalen med diametre på 4- og 3-mm. Denne teknik har potentiale til at efterligne makro- og mikro-miljøer i vævet af interesse. Denne teknologi giver en levedygtig teknik til at levere en specifik geometrisk instruktivt at et biologisk nedbrydeligt materiale i en forholdsvis let og rettidig sagen med high fidelity, som kan indstilles til at efterligne de vivo væv elasticitet og andre egenskaber ved vævet af interesse.

Protocol

1. Bestem Andel af faste stoffer i Collagen Batch Ekstrahere kollagen efter en tidligere publiceret procedure 13. Tø mindst 20 ml collagen. Bestem den oprindelige procentdel af kollagen faste stoffer i parti for at manipulere kollagen koncentration i de dannede hydrogeler. Skær tre stykker af aluminiumsfolie (ca. 6 x 6 cm) og form hver enkelt som en pande ved anvendelse af bunden af ​​en 25 ml bægerglas. Noterer vægten af ​​hver pande. Tilføje en lille mængde af kol…

Representative Results

Resultaterne viser, at dette biofabrication teknik er effektiv i at generere 3D stilladser, der kan efterligne den rumlige arrangement ses i in vivo-væv. De arkitektoniske træk er vigtige parametre for tissue engineering ansøgning, som spiller en afgørende rolle i in vivo celle interaktion og funktionalitet af væv. Konsistensen og blandbarhed af BSA gummi var en vigtig parameter i at producere e…

Discussion

Biofabrication er et meget tværfagligt felt, hvor biologi og tekniske principper fusionere til at generere komplekse materialer, der efterligner native væv. For at opnå dette, er der behov for at udvikle teknikker, der bruger de indsamlede oplysninger fra in vivo-væv og omsætte den til en in vitro stillads. På denne måde kan en platform konstrueres der ligner de arkitektoniske, funktionelle og mekaniske egenskaber de vivo væv. Den optimale stilladser materiale bør besidde visse egensk…

Materials

Collagen type I			Collagen extracted from calf hide
Hydrocloric Acid (HCl)	Sigma-Aldrich	7647-01-0
Phosphate Buffer Solution (PBS Tablets)	MP Biomedical	U5378	1 tablet per 100 mL makes 1XPBS
Albumium from bovine serum (BSA)	Sigma-Aldrich	A9647
Glutaraldehyde	Sigma -Aldrich	G5882	Toxic
Lard	Fields	3090
Stainless Steel Molds			Milled using Microlution Machine
Air Brush Kit	Central Pneumatic	47791
Mixing Tip for double syringe	Medmix	ML2.5-16-LLM	Mixer, DN2,5X16, 4:1 brown, med
Small O ring for double syringe	Medmix	PPB-X05-04-02SM	Piston B, 5mL, 4:1, PE natural
Double Syringe cap	Medmix	VLX002-SM	Cap, 4:1/10:1, PE brown, med
Big O ring for double syringe	Medmix	PPA-X05-04-02SM	Piston A, 5 mL, 4:1
Double Syringe	Medmix	SDL X05-04-50M	Double syringe, 5 mL, 4:1
Double Syringe Dispenser	Medmix	DL05-0400M	Dispenser, 5 mL, 4:1, med , plain
Laminim			3.6 mg/mL- extracted USC lab
20 mL Syringe Luer Lock Tip	BD	302830
Luer Lock Caps	Fisher	JGTCBLLX
HEPES	Sigma -Aldrich	H4034
Gibco Minimum Essential Media 10X (MEM)	Life Technologies	1143-030
Trypsin	Life Technologies	27250-018
UV Crosslinker	Spectroline UV	XLE1000
Sodium Cloride (NaCl)	Fisher	S271-10	To prepare Mosconas
Potassium chloride (KCl)	Sigma -Aldrich	P5405-250	To prepare Mosconas
Sodium Bicarbonate (NaHCO3)	Fisher	BP328-500	To prepare Mosconas
Glucose	Sigma -Aldrich	G-8270	To prepare Mosconas
Sodium Phosphate didasic (NaH2PO4)	Sigma-Aldrich	S-7907	To prepare Mosconas
Sterile Filter for syringes	Corning	431224