Utvidelsen av to dimensjon Electrospun Nanofiber matter til tre-dimensjonal stillaser
Summary
Denne artikkelen viser teknikken av utvide en tradisjonell, to dimensjon (2D) electrospun nanofiber mat til en tre-dimensjonal (3D) stillaset gjennom depressurization subcritical CO2 væske. Disse utvidet stillasene er 3D, tett etterligne mobilnettet nanotopographic signaler, og beholde funksjonene til biologiske molekyler innkapslet i nanofibers.
Abstract
Electrospinning har vært foretrukket teknologi i produksjon av en syntetisk, funksjonelle stillaset på grunn av biomimicry ekstracellulær matrix og enkel kontroll av komposisjon, struktur og diameteren på fiber. Men til tross for disse fordelene, tradisjonelle electrospun nanofiber stillaser kommer med begrensninger inkludert uorganisert nanofiber retning, lav porøsitet, liten porestørrelse og hovedsakelig todimensjonal matter. Som sådan, er det et stort behov for å utvikle en ny prosess for fabrikasjon electrospun nanofiber stillaser som kan overvinne begrensningene ovenfor. Her, er en roman og enkel metode skissert. En tradisjonell 2D nanofiber mat er forvandlet til en 3D stillaset med ønsket tykkelse, gapet avstand, porøsitet og nanotopographic signaler for cellen såing og spredning gjennom depressurization subcritical CO2 væske. I tillegg til å gi et stillas for vev gjenfødelse oppstår, gir denne metoden også muligheten å kapsle bioaktive molekyler som antimikrobielle peptider for lokale stoffet levering. CO2 utvidet nanofiber stillasene holder stort potensial i vev gjenfødelse, sårheling, 3D vev modellering og aktuelle stoffet levering.
Introduction
Konseptet med å utvikle en syntetisk skafottet som kan bli implantert i pasienter å hjelpe i reparasjon av vev og gjenfødelse er en som har gjennomsyret feltet regenerativ medisin i flere tiår. Ideell syntetiske stillaset å indusere celle migrasjon fra omliggende sunt vev, inneholder en arkitektur for cellen såing, vedheft, signalnettverk, spredning og differensiering, støtter endometrial blodkar, gir tilstrekkelig oksygenering og ernæring levering, og fremmer vert immun aktivitet for å sikre suksess etter implantasjon1. I tillegg kan det brukes som en bærer for innebygging antimikrobielle molekyler for å hjelpe sårheling1,,3,,6,,7,,8,,9. Kontrollere timelige utgivelsen av disse biologiske molekyler fra syntetiske stillaset er en annen ønskelig attributt som anses når engineering stillaser1.
Electrospinning har vært en godt brukt teknikk for å produsere nanofiber stillaser1,2,3,4,5,6. Tidligere forsøk på å opprette en nanofiber stillaset som den diskutert her har blitt gjort til varierende grad av suksess. Men har tradisjonelle nanofiber stillaser begrenset evne til å oppnå disse målene. Tradisjonelle nanofiber stillaser har vært mest todimensjonal matter1,3. Disse nonexpanded stillasene er tettpakket med liten pore størrelser; Dette begrenser celle infiltrasjon, overføring og differensiering som det ikke fremme et miljø som ligner nok de man finner i vivo1,7,8,9. Derfor er nyere teknikker 3D electrospun nanofiber stillaset forberedelser etablert for å endre de iboende feilene som følger med 2D nanofiber matter. Disse teknikkene føre 3D stillaser; de har imidlertid begrenset anvendbarhet skyldes produksjonsmetodene krever vandige løsninger og Frysetørring prosedyrer. Denne behandlingen gir tilfeldige distribusjon av nanofibers uten begrenset organisasjon, riktig tykkelse eller ønsket porøsitet å gi tilstrekkelig nanotopographic signaler som kreves for celle migrasjon og spredning. Disse faktorene resultere i forrige 3D electrospun nanofiber stillasene som mangler tilstrekkelig mimikk levende vev1,7,8,9.
Senere forsøk på å utvikle en utvidet, 3D stillaset med bedre biomimicry av ekstracellulær matrix (EFM) er utført med en vandig natrium borohydride (NaBH4) løsning behandling og forhåndsdefinerte former for å hjelpe bedre kontroll over den formen på den resulterende stillas7,8. Denne metoden er imidlertid ikke ideelt som det krever bruk av vandige løsninger, kjemiske reaksjoner og Frysetørring som kan forstyrre polymerer og alle innkapslede biomolecules som er vannløselige. Tilsetningsstoffer brukes kan også forårsake bivirkninger under vev gjenfødelse8,9. Av CO2 ekspansjon metoden beskrevet i denne artikkelen sterkt reduserer behandlingstid, eliminerer behovet for vandige løsninger og bevarer mengden og funksjonaliteten av biologisk aktive molekyler i større grad enn den tidligere etablerte metoder9.
I tidligere studier, antibiotika, sølv, 1α, 25 dihydroxyvitamin D3og antimikrobielle peptid ble LL-37 lastet inn nanofiber stillasene individuelt og i kombinasjon å undersøke potensialet i disse stillaser å løslate agenter for å ytterligere hjelp i sårheling9,10,12,13. For å demonstrere denne metoden for nanofiber stillaset ekspansjon, lastes Coumarine 6, en fluorescerende farge, inn i stillaset å demonstrere potensialet i embedding stillaset med ulike ønsket forbindelser. Denne metoden for utvidet nanofiber stillaset fabrikasjon sammen med innkapslede bioaktive molekyler har stort potensial i vev gjenfødelse, sårheling, etablering av 3D vev modeller og aktuell levering av narkotika.
Protocol
Representative Results
Discussion
Transformere tradisjonelle 2D electrospun nanofiber matter til utvidet 3D stillaser via CO2 depressurization ble undersøkt. Tradisjonelle 2D nanofiber matter er vellykket utvidet via subcritical CO2 væske. De avgjørende skritt er å dikte 2D nanofiber Mattene under en optimalisert tilstand og kutte Mattene uten deformeres kantene (f.eks., bruke skarpe kirurgisk saks). Denne CO2-utvidet nanofiber stillaser har mange fordeler over tradisjonelle 2D matter inklud…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av tilskudd fra den National Institute of General Medical Science (NIGMS) ved NIH (2P 20 GM103480-06 og 1R01GM123081 til J.X.), Otis Glebe Forskningsstiftelse, NE LB606 og oppstart midler fra University of Nebraska Medical Center.
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 |
References
- Chen, S., et al. Recent advances in electrospun nanofibers for wound healing. Nanomedicine. 12 (11), 1335-1352 (2017).
- Khandalavala, K., Jiang, J., Shuler, F. D., Xie, J. Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization. Journal of Visualized Experiments. (98), e52626 (2015).
- Xie, J., Li, X., Xia, Y. Put electrospun nanofibers to work for biomedical research. Macromolecular Rapid Communication. 29 (22), 1775-1792 (2008).
- Xie, J., et al. Nanofiber membranes with controllable microwells and structural cues and their use in forming cell microarrays and neuronal networks. Small. 7 (3), 293-297 (2011).
- Xie, J., et al. Radially aligned, electrospun nanofibers as dural substitutes for wound closure and tissue regeneration applications. ACS. 4 (9), 5027-5036 (2010).
- Xie, J., et al. “Aligned-to-random” nanofiber scaffolds for mimicking the structure of the tendon-to-bone insertion site. Nanoscale. 2 (6), 923-926 (2010).
- Jiang, J., et al. Expanded 3D Nanofiber Scaffolds: Cell Penetration. Neovascularization, and Host Response. Advanced Healthcare Materials. 5 (23), 2993-3003 (2016).
- Jiang, J., et al. Expanding Two-Dimensional Electrospun Nanofiber Membranes in the Third Dimension by a Modified Gas-Foaming Technique. ACS Biomaterials Science & Engineering. 10 (1), 991-1001 (2015).
- Jiang, J., et al. CO2-expanded nanofiber scaffolds maintain activity of encapsulated bioactive materials and promote cellular infiltration and positive host response. Acta Biomaterialia. 68, 237-248 (2018).
- Chen, S., et al. Nanofiber-based sutures induce endogenous antimicrobial peptide. Nanomedicine. 12 (10), 2597-2609 (2017).
- Dhand, C., et al. Bio-inspired crosslinking and matrix-drug interactions for advanced wound dressings with long-term antimicrobial activity. Biomaterials. 138, 153-168 (2017).
- Jiang, J., et al. Local sustained delivery of 25-hydroxyvitamin D3 for production of antimicrobial peptides. Pharmaceutical Research. 32 (9), 2851-2862 (2015).
- Jiang, J., et al. 1α, 25-dihydroxyvitamin D3-eluting nanofibrous dressings induce endogenous antimicrobial peptide expression. Nanomedicine (Lond). 13 (12), 1417-1432 (2018).
- Ma, B., Xie, J., Jiang, J., Shuler, F. D., Bartlett, D. E. Rational design of nanofiber scaffolds for orthopedic tissue repair and regeneration. Nanomedicine. 8 (9), 1459-1481 (2013).
