Tredimensionell Biomimetic Technology: Novel Biorubber Skapar Defined mikro- och makroskala arkitekturer 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

Vävnadsstöd spelar en avgörande roll i vävnaden regenereringsprocessen. Den idealiska byggnadsställning måste uppfylla flera krav, såsom att ha rätt sammansättning, riktad modul och väldefinierade arkitektoniska detaljer. Biomaterial som sammanfatta den inneboende arkitektur in vivo vävnad är avgörande för att studera sjukdomar samt för att underlätta regenerering av förlorad och missbildade mjukvävnad. En roman biofabrication tekniken utvecklades som kombinerar toppmodern avbildning, tredimensionell (3D) tryckning, och selektiv enzymatisk aktivitet för att skapa en ny generation av biomaterial för forskning och klinisk tillämpning. Den utvecklade materialet, bovint serumalbumin gummi, är reaktions insprutas i en form som upprätthåller specifika geometriska funktioner. Denna offermaterialet tillåter tillräcklig överföring av arkitektoniska funktioner till ett naturligt ställningsmaterial. Prototypen består av en 3D kollagenbyggnadsställning med 4 och 3 mm kanaler som reprESENT en grenad arkitektur. Detta papper betonar användningen av denna biofabrication teknik för generering av naturliga konstruktioner. Detta protokoll använder en datorstödd mjukvara (CAD) för att tillverka en fast form, som kommer att vara reaktionen injiceras med BSA gummi följt av enzymatisk nedbrytning av gummit, vilket lämnar dess arkitektoniska funktioner inom byggnadsställningsmaterial.

Introduction

I vävnadstekniska området är avgörande för möjligheten att tillverka vävnadsstöd. En lämplig vävnad byggnadsställning har en 3D-struktur, består av biokompatibla material, och härmar in vivo vävnadsarkitektur för att underlätta cell- och vävnadstillväxt och ombyggnad. Denna byggnadsställning måste tillåta transport av näringsämnen och avlägsnande av avfall ^1-4. Ett av de största hindren i produktionen av dessa ställningar är förmågan att sammanfatta specifika geometriska funktioner i ett biokompatibelt material. Flera biofabrication tekniker har rapporterats att kontrollera de geometriska egenskaperna hos dessa ställningar, är exempel elektrospinning ^5-8, lösningsmedelsgjutning ⁹ stereolithography ^10, och 3D-utskrift ^11, bland andra. Dessa tekniker misslyckas att tillhandahålla en relativt enkel överföring av styr interna och externa arkitektoniska detaljer, är dyra, begränsas av deras upplösning och tryckbarhet ( <em> t ex munstycke mätare, material begränsning), eller kräver post-tillverkningstekniker som kräver en lång tid för att producera livskraftiga ställningar ^12.

I många kommersiella tillverknings system är skapandet av inre hålrum, kanaler och funktioner som uppnås med hjälp av sand eller andra lämpliga löstagbara eller offermaterial. Metallen eller plastdelen bildas runt sandformen, och när det väl är stelnat sanden avlägsnas. På samma sätt, nästa generation av biomaterial behöver biosand motsvarande. Därför var BSA gummi utvecklats som ett substitut för biosand. BSA gummit är ett nyligen formulerade material som består av bovint serumalbumin som tvärbundits med glutaraldehyd. Det slutliga målet är att återskapa specifika arkitektoniska detaljer i en biologiskt nedbrytbar kollagenbyggnadsställning. Egenskaperna hos offer biorubber som upprätthåller dimensionell trohet med formen av den ursprungliga vävnaden beskrivs.

<p class = "jove_content"> Flera kombinationer av BSA och glutaraldehyd-koncentrationer testades med användning av en mängd olika lösningsmedel. Detta material skapades genom reaktion mellan BSA och glutaraldehyd. BSA gummi kan vara reaktion injiceras i intrikata geometrier formarna vävnads. Tvärbunden BSA trypsin labila och lätt ned av enzymet vid milda pH-och temperaturförhållanden. Omvänt, intakt kollagen typ I är mycket resistent mot trypsin digestion. Dessa funktioner har aktiverats för att selektivt avlägsna BSA gummi lämnar kollagen bakom. Den nuvarande arbete bestod av att bestämma den idealiska parametrar som behövs för att erhålla en labil form som kan leverera specifika arkitektoniska detaljer till en biokompatibel byggnadsställning. Särdrag som utvärderades inkluderade blandbarhet, enzymnedbrytning, bärande, och förmåga att vara reaktionen injiceras i en negativ form. Kombinationen av 30% BSA och 3% glutaraldehyd uppfyller dessa krav. Detta protokoll ger necessAry riktlinjer för att skapa dessa tredimensionella ställningar. Prototypen består av en kollagenbyggnadsställning som representerar en grenad arkitektur med ett inflöde och två utflödeskanal med en diameter mellan 4- och 3-mm, respektive. Denna teknik har potentialen att härma makro- och mikromiljöer av vävnaden av intresse. Denna teknik ger en livskraftig teknik för att leverera en särskild geometrisk lärorikt att ett biologiskt nedbrytbart material på ett relativt enkelt och snabbt materia med hög följsamhet, som kan avstämmas för att efterlikna in vivo-vävnadens elasticitet och andra egenskaper hos vävnaden av intresse.

Protocol

1. Bestäm Andel Solids i kollagen Batch Extrahera kollagen efter ett tidigare publicerat förfarande 13. Tina ett minimum av 20 ml kollagen. Kontrollera den initiala procentandelen kollagen fasta ämnen i satsen för att manipulera kollagenkoncentrationen i de bildade hydrogelerna. Skär tre bitar av aluminiumfolie (ca 6 x 6 cm) och forma varje en som en pan med hjälp av botten av en 25 ml bägare. Notera vikten av varje pan. Tillsätt en liten mängd av kollagen till varje pan…

Representative Results

Resultaten visar att denna biofabrication teknik är effektiv i att generera 3D-ställningar som kan imitera den rumsliga arrangemanget sett i in vivo vävnad. De arkitektoniska detaljer är viktiga parametrar för tissue engineering program, spelar en avgörande roll i in vivo cellinteraktion och funktionalitet av vävnaden. Konsistensen och blandbarhet av BSA gummi var en viktig parameter vid framställning…

Discussion

Biofabrication är ett mycket tvärvetenskapligt område där biologi och tekniska principer samman för att skapa komplexa material som efterliknar naturlig vävnad. För att uppnå detta finns det ett behov att utveckla tekniker som använder den information som samlats in från in vivo vävnad och översätta det till en in vitro-ställningen. På detta sätt kan en plattform konstrueras som liknar de arkitektoniska, funktionella och mekaniska egenskaperna hos den in vivo vävnad. Den optim…

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