将二维电纺纳米纤维垫扩展到三维支架中
Summary
本文介绍了通过对亚临界co2流体的降压, 将传统的二维电纺纳米纤维垫扩展为三维 (3d) 支架的技术。这些增强型支架是3d 的, 紧密地模仿细胞纳米粒子的线索, 并保留包存在纳米纤维中的生物分子的功能。
Abstract
电纺已成为生产合成的, 功能性支架的首选技术, 由于仿生细胞外基质和易于控制的组成, 结构和直径的纤维。然而, 尽管有这些优点, 传统的电纺纳米纤维支架还是存在着不组织的纳米纤维取向、低孔隙率、小孔径和主要是二维垫子等局限性。因此, 非常需要开发一种新的工艺来制造能够克服上述限制的电纺纳米纤维支架。在此, 概述了一种新颖而简单的方法。传统的二维纳米纤维垫被转化为具有所需厚度、间隙距离、孔隙率和纳米粒子的三维支架, 以便通过次临界co2流体的降压, 实现细胞播种和增殖。除了为组织再生提供支架外, 这种方法还提供了封装生物活性分子 (如用于局部药物输送的抗菌肽) 的机会。co2膨胀纳米纤维支架在组织再生、伤口愈合、三维组织建模和外用药物输送方面具有巨大的潜力。
Introduction
开发一种可植入患者体内的合成支架, 以帮助组织修复和再生的概念, 已经渗透了几十年的再生医学领域。理想的合成支架用于诱导细胞从周围的健康组织迁移, 提供了细胞播种, 粘附, 信号转导, 增殖和分化的架构, 支持血管化, 允许充分的氧合和营养传递, 并促进宿主免疫活动, 以确保植入后成功1。此外, 它还可作为嵌入抗菌分子的载体, 以帮助伤口愈合1,3,6,7, 8,9.控制合成支架中这些生物分子的时间释放的能力是工程支架1时考虑的另一个理想属性。
电纺已成为生产纳米纤维支架1、2、3、4、5、6的一种应用。以前试图创建一个纳米纤维脚手架, 如这里讨论的, 已经做了不同程度的成功。然而, 传统的纳米纤维支架实现这些目标的能力有限。传统的纳米纤维支架大多是二维垫1,3。这些非膨胀支架密集地与小毛孔大小;这限制了细胞的浸润、迁移和分化, 因为它没有促进与体内1、7、8、9相似的环境。为此, 建立了新的3d 电纺纳米纤维支架制备技术, 以修正二维纳米纤维垫固有的缺陷。这些技术导致3d 脚手架;然而, 由于生产方法需要水溶液和冷冻干燥程序, 它们的适用性有限。这种处理导致纳米纤维的随机分布, 没有受限制的组织, 适当的厚度, 或所需的孔隙率, 以提供足够的纳米粒子线索, 细胞迁移和增殖所需的。这些因素导致以前的3d 电纺纳米纤维支架缺乏足够的模仿活组织 1,7,8, 9.
最近, 利用硼氢化钠 (nabh4) 水溶液处理和预先设计的模具, 开发了一种具有更好的细胞外基质 (ecm) 仿生的扩展三维支架,以帮助更好地控制所产生的脚手架的形状7,8。然而, 这种方法并不理想, 因为它需要使用水溶液, 化学反应, 和冷冻干燥, 可能会干扰聚合物和任何封装的生物分子是水溶性的。使用的添加剂也可能在组织再生过程中引起副作用 8,9。本文概述的 co2 膨胀方法大大减少了加工时间, 消除了对水溶液的需求, 并在比以前更大程度上保留了生物活性分子的数量和功能已建立的方法9。
在以前的研究中, 抗生素、银、1α、25二羟基维生素 d3和抗菌肽 ll-37 分别加载到纳米纤维支架中, 并结合起来研究这些支架释放剂的潜力。进一步帮助伤口愈合9,10,12,13。为了演示这种纳米纤维支架膨胀的方法, 将将荧光染料 coumarine 6 加载到支架中, 以证明将支架嵌入各种所需化合物的潜力。这种膨胀纳米纤维支架与包封的生物活性分子结合在组织再生、伤口愈合、三维组织模型的创建和药物局部传递方面具有巨大的潜力。
Protocol
Representative Results
Discussion
研究了通过 co2 降压技术将传统的二维电纺纳米纤维垫转化为扩展的三维支架。传统的二维纳米纤维垫通过亚临界 co2 流体成功地展开。关键的步骤是在优化的条件下制造2d 纳米纤维垫, 并在不变形边缘的情况下切割垫子 (例如, 使用锋利的手术剪刀)。与传统的二维垫相比, 这种 co2 膨胀纳米纤维支架具有许多优点, 包括层状结构 (图 3a-b</st…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国家卫生研究院国家普通医学研究所 (2p20 gm103440-06 和1r01gm123081 至 j. x.)、otis glebe 医学研究基金会 ne lb606 和内布拉斯加州医科大学启动资金的资助中心。
Materials
| Polycaprolactone | Sigma-Aldrich | 440744 | |
| N,N-Dimethlyformamide | Fisher Chemical | D-199-1 | |
| Dichloromethane | Fisher Chemical | AC61093-1000 | |
| Coumarin 6 | Sigma-Aldrich | 546283 | |
| Rotating Steel Drum | customized | This serves as a collector during electrospinning. | |
| Syringe Pump | Fisher Scientific | 14-831-200 | Coaxial spinning requires two single syringe pumps. |
| Revolver | Lab Net International | H5600 | Adjustable lab rotator for mixing solutions |
| Hypodermic Needle (27G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26426 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| Hypodermic Needle (21G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26416 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| High Voltage DC Power Supply | Gamma High Voltage Research | ES30 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova 2300 | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Axio Imager 2 | |
| LL 37 ELISA Kit | Hycult Biotech | HK321-02 |
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