Expansion av två-dimension Electrospun Nanofiber Mats till tre-dimension ställningar
Summary
Denna artikel visar tekniken för att utvidga en traditionell, två-dimension (2D) electrospun nanofiber matta i en tre-dimension (3D) byggnadsställning genom råoljor av underkritiska CO2 vätska. Dessa förstärkt ställningar är 3D, noga härma cellulär nanotopographic ledtrådar, och bevara funktionerna av biologiska molekyler inkapslade i nanofibrer.
Abstract
Electrospinning har varit den föredragna tekniken i producerar en syntetisk, funktionella byggnadsställning på grund av Biomimetik till extracellulära matrix och enkel kontroll av sammansättning, struktur och diameter av fibrer. Men trots dessa fördelar, traditionella electrospun nanofiber ställningar kommer med begränsningar inklusive oorganiserad nanofiber orientering, låg porositet, små porstorlek och främst tvådimensionell mats. Som sådan, finns det ett stort behov av att utveckla en ny process för att tillverka electrospun nanofiber ställningar som kan övervinna ovanstående begränsningar. Häri, beskrivs en roman och enkel metod. En traditionell 2D nanofiber matta förvandlas till en 3D klätterställning med önskad tjocklek, gapet avstånd, porositet och nanotopographic ledtrådar för att cellen sådd och spridning genom råoljor av underkritiska CO2 vätska. Förutom att ge en byggnadsställning för vävnadsregeneration inträffa, ger denna metod också möjlighet att kapsla in bioaktiva molekyler såsom antimikrobiella peptider för lokal drog leverans. CO2 expanderat nanofiber ställningar håll stor potential i vävnadsregeneration, sårläkning, 3D vävnad modellering och utvärtes läkemedel.
Introduction
Begreppet utveckla en syntetisk byggnadsställning som kan implanteras i patienter till stöd i vävnad reparera och förnyelse är en som har genomsyrat fältet regenerativ medicin i årtionden. Den idealiska syntetiska byggnadsställningen serverar att inducera cellmigration från omgivande frisk vävnad, erbjuder en arkitektur för cell sådd, vidhäftning, signalering, proliferation och differentiering, stöder vaskularisering, möjliggör adekvat syresättning och leverans-näring och främjar värd immun verksamhet för att säkerställa framgång efter implantation1. Det kan dessutom användas som bärare för inbäddning antimikrobiella molekyler för att bistå sårläkning1,3,6,7,8,9. Möjligheten att styra temporal frisättningen av dessa biologiska molekyler från syntetiska ställningen är en annan önskvärd attribut som anses när engineering ställningar1.
Electrospinning har varit en väl utnyttjad teknik för att producera nanofiber ställningar1,2,3,4,5,6. Tidigare försök att skapa en nanofiber byggnadsställning som diskuteras här har gjorts till varierande framgång. Traditionella nanofiber ställningar har dock begränsad förmåga att uppnå dessa mål. Traditionella nanofiber ställningar har varit mestadels tvådimensionell mats1,3. Dessa nonexpanded ställningar är tätt packade med små porstorlek; Detta begränsar cell infiltration, migration och differentiering som det inte främja en miljö som liknar nog de som finns i vivo1,7,8,9. Av denna anledning, har nyare tekniker av 3D electrospun nanofiber byggnadsställning förberedelser fastställts för att ändra de inneboende brister som kommer med 2D nanofiber mats. Dessa tekniker resultera i 3D ställningar; dock har de begränsad tillämplighet på grund av de produktionsmetoder som kräver vattenlösningar och frystorkning förfaranden. Denna bearbetning resulterar i den slumpmässiga fördelningen av nanofibrer utan begränsade organisation, ordentlig tjocklek eller önskad porositet ge adekvat nanotopographic ledtrådar som är nödvändiga för cellmigration och spridning. Dessa faktorer resulterar i de tidigare 3D electrospun nanofiber ställningar som saknar adekvat härmning av levande vävnader1,7,8,9.
Senare försök att utveckla en utökad, 3D Rullställning med bättre Biomimetik av extracellulär matrix (ECM) har utförts med en vattenlösning natrium natriumborhydrid (NaBH4) lösning behandling och färdiga formar till stöd i bättre kontroll av den formen på den resulterande schavotten7,8. Denna metod är dock inte idealiskt eftersom det kräver användning av vattenlösningar, kemiska reaktioner och frystorkning som kan interferera med polymerer och eventuella inkapslade biomolekyler som är vattenlösliga. De tillsatser som används kan också orsaka biverkningar under vävnad förnyelse8,9. CO2 expansion metoden beskrivs i denna artikel kraftigt minskar bearbetningstiden, eliminerar behovet av vattenlösningar och bevarar belopp och funktionalitet av biologiskt aktiva molekyler i större utsträckning än de tidigare etablerade metoder9.
I tidigare studier, antibiotika, silver, 1α, 25 dihydroxyvitamin D3och antimikrobiella peptiden lastades LL-37 in de nanofiber ställningar individuellt och i kombination att undersöka potentialen hos dessa ställningar att släppmedel till ytterligare stöd i sårläkning9,10,12,13. I syfte att demonstrera denna metod av nanofiber byggnadsställning expansion, ska Coumarine 6, ett fluorescerande färgämne, läsas in i ställningen kan påvisa att av inbäddning schavotten med olika önskad föreningar. Denna metod för utökad nanofiber byggnadsställning tillverkning i samband med inkapslade bioaktiva molekyler har stor potential i vävnadsregeneration, sårläkning, skapandet av 3D vävnad modeller och aktuell leverans av narkotika.
Protocol
Representative Results
Discussion
Omvandla traditionella 2D electrospun nanofiber mats till utökade 3D ställningar via CO2 råoljor undersöktes. Traditionella 2D nanofiber mattorna är framgångsrikt expanderat via underkritiska CO2 vätska. De kritiska steg är att fabricera 2D nanofiber mats en optimerad villkor och skära mattorna utan att deformeras kanterna (t.ex., med vassa kirurgiska saxar). Detta CO2-utökad nanofiber ställningar har många fördelar över traditionella 2D mats inklu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av bidrag från National Institute of General Medical Science (NIGMS) vid NIH (2P 20 GM103480-06 och 1R01GM123081 till J.X.), Otis Glebe Medical Research Foundation, NE LB606 och start medlen från University of Nebraska medicinsk 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).
