Voorbereiding van de thermoresponsieve nanogestructureerde oppervlakken voor Tissue Engineering
Summary
Nanoscaled sea-island surfaces composed of thermoresponsive block copolymers were fabricated by the Langmuir-Schaefer method for controlling spontaneous cell adhesion and detachment. Both the preparation of the surface and the adhesion and detachment of cells on the surface were visualized.
Abstract
Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the Langmuir-Schaefer method. Amphiphilic block copolymers composed of polystyrene and PIPAAm (St-IPAAms) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) radical polymerization. A chloroform solution of St-IPAAm molecules was gently dropped into a Langmuir-trough apparatus, and both barriers of the apparatus were moved horizontally to compress the film to regulate its density. Then, the St-IPAAm Langmuir film was horizontally transferred onto a hydrophobically modified glass substrate by a surface-fixed device. Atomic force microscopy images clearly revealed nanoscale sea-island structures on the surface. The strength, rate, and quality of cell adhesion and detachment on the prepared surface were modulated by changes in temperature across the lower critical solution temperature range of PIPAAm molecules. In addition, a two-dimensional cell structure (cell sheet) was successfully recovered on the optimized surfaces. These unique PIPAAm surfaces may be useful for controlling the strength of cell adhesion and detachment.
Introduction
Nanogestructureerde oppervlakken hebben onlangs trok veel aandacht vanwege hun verschillende mogelijke toepassingen, inclusief patronen, celkweek, het schoonmaken en het oppervlak switching. Bijvoorbeeld superhydrofobe oppervlakken geïnspireerd door de nanostructuur van de lotusblad en andere reagerende oppervlakken kunnen reageren op externe stimuli 1-4.
De Langmuir film is een van de meest bestudeerde polymeercoating. Een Langmuir film wordt gevormd door het droppen van amfifiele moleculen op een lucht-water-interface 5-8. De film kan vervolgens op een vast oppervlak worden overgedragen door fysische of chemische adsorptie, en de moleculaire conformatie op een stevige ondergrond kan worden gecontroleerd met behulp van verticale en horizontale overdracht methoden 9-12. De dichtheid van de Langmuir film kan nauwkeurig worden geregeld door het comprimeren van de lucht-water grensvlak. Onlangs heeft deze methode ook effectief gebleken voor het vervaardigen van nanometerschaal zee-eiland structures door gebruik amfifiele blokcopolymeren. De nanostructuren worden verondersteld te bestaan uit een kern van hydrofobe segmenten en een schil van hydrofiele segmenten 13-17. Bovendien is het aantal nanostructuren op een oppervlak geregeld door regeling van de oppervlakte per molecuul (A m) van het blokcopolymeer bij het grensvlak.
We hebben ons gericht op een originele, unieke scaffold-free tissue engineering aanpak, cellaag techniek, met behulp van een op temperatuur reagerende cultuur oppervlak. De ontwikkelde technologie is toegepast op regeneratieve therapieën voor verschillende organen 18. Een temperatuur reagerende kweekoppervlak werd vervaardigd door enten poly (N -isopropylacrylamide) (PIPAAm), een temperatuur reagerende molecuul op een oppervlak 19-27. PIPAAm en zijn copolymeren vertonen een lagere kritische oplossing temperatuur (LCST) in waterige media bij temperaturen rond de 32 ° C. De cultuur oppervlak vertoonde ook een temperatuur reagerende wisselspanning is tussen hydrofobiciteit en hydrofiliciteit. Bij 37 ° C, werd de PIPAAm-geënte oppervlak hydrofoob en cellen gemakkelijk bevestigd en verspreid over het oppervlak alsook conventionele weefselkweek polystyreen. Wanneer de temperatuur werd verlaagd tot 20 ° C, werd het oppervlak hydrofiel, en cellen spontaan los van het oppervlak. Daarom kon gekweekte confluente cellen op het oppervlak worden geoogst als een intacte blad door de temperatuur te veranderen. Deze cel adhesie en onthechting eigenschappen werden ook weergegeven door een oppervlak vervaardigd door Langmuir film coating voor laboratorium demonstratie 26, 27. Een Langmuir film van blokcopolymeren bestaande uit polystyreen (P (St)) en PIPAAm (St-IPAAm) werd vervaardigd. De Langmuir film met een Bk meter kan horizontaal worden overgedragen aan een hydrofoob gemodificeerde glassubstraat. Bovendien celadhesie aan en onthechting van het voorbereide oppervlak in reactie op temperatuur geëvalueerd.
_content "> We beschrijven protocollen voor de productie van een nanogestructureerde Langmuir film samengesteld uit warmte reagerende amfifiele blokcopolymeren op een glazen substraat. Onze werkwijze kan een effectieve fabricatietechniek voor organische nanofilms op verschillende gebieden van oppervlaktekunde en kunnen meer vergemakkelijken effectieve controle van celadhesie en op spontane loslating van het oppervlak.Protocol
Representative Results
Discussion
Een temperatuur reagerende oppervlak werd vervaardigd door de Langmuir-Schaefer-methode, en de oppervlakte-eigenschappen voor celadhesie / onthechting en cellaag herstel werden geoptimaliseerd. Bij gebruik van deze werkwijze voor de vervaardiging van oppervlakken, verschillende stappen zijn kritisch. De moleculaire samenstelling van de St-IPAAm moleculen heeft een groot effect op de oppervlaktestructuur en de stabiliteit van het oppervlak, en daarmee ook op celadhesie en onthechting. Met name dient de St-IPAAm moleculen…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was financially supported by the Creation of Innovation Centers for Advanced Interdisciplinary Research Program’s Project for Developing Innovation Systems “Cell Sheet Tissue Engineering Center (CSTEC)” of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan.
Materials
| N-isopropylacrylamide | Kohjin | No catalog number | |
| Azobis(4-cyanovaleric acid) | Wako Pure Chemicals | 016-19332 | |
| Styrene | Sigma-Aldrich | S4972 | |
| 1,3,5-trioxane | Sigma-Aldrich | T81108 | |
| 1,4-Dioxane | Wako Pure Chemicals | 045-24491 | |
| DMEM | Sigma | D6429 | |
| PBS | Nakarai | 11482-15 | |
| Streptomycin | GIBCO BRL | 15140-163 | |
| Penicillin | GIBCO BRL | 15140-122 | |
| Trypsin-EDTA | Sigma | T4174 | |
| FBS | Japan Bioserum | JBS-11501 | |
| BAECs | Health Science Reserch Resources Bank | JCRB0099 | |
| Cover Glasses | Matsunami Glass Industry | C024501 | |
| AFM NanoScope V | Veeco | ||
| 1H NMR INOVA 400 | Varian, Palo Alto | ||
| ATR/FT-IR NICOLET 6700 | Thermo Scientific | ||
| GPC HLC-8320GPC | Tosoh | ||
| TSKgel Super AW2500, AW3000, AW4000 | Tosoh | ||
| Langmuir-Blodgett Deposition Troughs | KSV Instruments | KN 2002 | KSV NIWA Midium trough |
| Nikon ECLIPSE TE2000-U | Nikon |
Riferimenti
- Bae, Y. H., Kwon, I. C., Pai, C. M., Kim, S. W. Controlled release of macromolecules from electrical and chemical stimuli-responsive hydrogels. Makromol. Chem., Macromol. Symp. 70-71 (1), 173-181 (1993).
- Fu, Q., et al. Reversible control of free energy and topography of nanostructured surfaces. J. Am. Chem. Soc. 126 (29), 8904-8905 (2004).
- Nykanen, A., et al. Phase behavior and temperature-responsive molecular filters based on self-assembly of polystyrene-block-poly(N-isopropylacrylamide)-block-polystyrene. Macromolecules. 40 (16), 5827-5834 (2007).
- Sun, T., et al. Reversible switching between superhydrophilicity and superhydrophobicity. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 43 (3), 357-360 (2004).
- Shuler, R. L., Zisman, W. A. A Study of the behavior of Polyoxyethylene at the air-water interface by wave damping and other methods. J. Phys. Chem. 74 (7), 1523-1534 (1970).
- Kawaguchi, M., Sauer, B. B., Yu, H. Polymeric monolayer dynamics at the air/water interface by surface light scattering. Macromolecules. 22 (4), 1735-1743 (1989).
- Saito, W., Kawaguchi, M., Kato, T., Imae, T. Spreading solvent and temperature effects on interfacial properties of Poly (N-isopropylacrylamide) films at the air-water interface. Langmuir. 7463 (11), 5947-5950 (1996).
- Jheng, K. T., Hsu, W. P. Molecular weight effect of PMMA on its miscibility with PS-b-PEO at the air/water interface. J. App. Polym. Sci. 125 (3), 1986-1992 (2012).
- Biesalski, M. A., Knaebel, A., Tu, R., Tirrell, M. Cell adhesion on a polymerized peptide-amphiphile monolayer. Biomaterials. 27 (8), 1259-1269 (2006).
- Da Silva, A. M. P. S. G., Lopes, S. I. C., Brogueira, P., Prazeres, T. J. V., Beija, M., Martinho, J. M. G. Thermo-responsiveness of poly(N,N-diethylacrylamide) polymers at the air-water interface: The effect of a hydrophobic block. Journal of colloid interface sci. 327 (1), 129-137 (2008).
- Wang, S. Q., Zhu, Y. X. Facile method to prepare smooth and homogeneous polymer brush surfaces of varied brush thickness and grafting density. Langmuir. 25 (23), 13448-13455 (2009).
- Estillore, N. C., Park, J. Y., Advincula, R. C. Langmuir−Schaefer (LS) macroinitiator film control on the grafting of a thermosensitive polymer brush via surface initiated-ATRP. Macromolecules. 43 (16), 6588-6598 (2010).
- Seo, Y. S., et al. Nanowire and mesh conformations of diblock copolymer blends at the air/water interface. Nano Lett. 4 (3), 483-486 (2004).
- Lu, Q., Bazuin, C. G. Solvent-assisted formation of nanostrand networks from supramolecular diblock copolymer/surfactant complexes at the air/water interface. Nano lett. 5 (7), 1309-1314 (2005).
- Nagano, S., Matsushita, Y., Ohnuma, Y., Shinma, S., Seki, T. Formation of a highly ordered dot array of surface micelles of a block copolymer via liquid crystal-hybridized self-assembly. Langmuir. 22 (12), 5233-5236 (2006).
- Perepichka, I. I., Borozenko, K., Badia, A., Bazuin, C. G. Pressure-induced order transition in nanodot-forming diblock. J. Am. Chem. Soc. 133 (493), 19702-19705 (2011).
- Wang, X. L., Ma, X. Y., Zang, D. Y. Aggregation behavior of polystyrene-b-poly(acrylicacid) at the air-water interface. Soft Matter. 9 (2), 443-453 (2013).
- Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering. Mater. Today. 7 (5), 42-47 (2004).
- Rollason, G., Daviest, J. E., Sefton, M. V. Preliminary report on cell culture on a thermally reversible copolymer. Biomaterials. 14 (2), 153-155 (1993).
- Park, Y. S., Ito, Y., Imanishi, Y. Permeation control through porous membranes immobilized with thermosensitive polymer. Langmuir. 14 (4), 910-914 (1998).
- Kwon, O. H., Kikuchi, A., Yamato, M., Okano, T. Accelerated cell sheet recovery by co-grafting of PEG with PIPAAm onto porous cell culture membranes. Biomaterials. 24 (7), 1223-1232 (2003).
- Kikuchi, A., Okano, T. Nanostructured designs of biomedical materials: applications of cell sheet engineering to functional regenerative tissues and organs. J. Control. Release. 101 (1-3), 69-84 (2005).
- Fukumori, K., et al. Characterization of ultra-thin temperature-responsive polymer layer and its polymer thickness dependency on cell attachment/detachment properties. Macromol. biosci. 10 (10), 1117-1129 (2010).
- Takahashi, H., Nakayama, M., Yamato, M., Okano, T. Controlled chain length and graft density of thermoresponsive polymer brushes for optimizing cell sheet harvest. Biomacromolecules. 11 (8), 1991-1999 (2010).
- Nakayama, M., Yamada, N., Kumashiro, Y., Kanazawa, H., Yamato, M., Okano, T. Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide)-based block copolymer coating for optimizing cell sheet fabrication. Macromol. Biosci. 12 (6), 751-760 (2012).
- Sakuma, M., et al. Control of cell adhesion and detachment on Langmuir-Schaefer surface composed of dodecyl-terminated thermo-responsive polymers. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 25 (5), 431-443 (2014).
- Sakuma, M., et al. Thermoresponsive nanostructured surfaces generated by the Langmuir-Schaefer method are suitable for cell sheet fabrication. Biomacromolecules. 15 (11), 4160-4167 (2014).
- Moad, G., Chong, Y. K., Postma, A., Rizzardo, E., Thang, S. H. Advances in RAFT polymerization: the synthesis of polymers with defined end-groups. Polymer. 46 (19), 8458-8468 (2005).
- Nishida, K., et al. Corneal Reconstruction with Tissue-Engineered Cell Sheets Composed of Autologous Oral Mucosal Epithelium. N. Engl. J. Med. 351 (12), 1187-1196 (2004).
- Ohki, T., et al. Prevention of esophageal stricture after endoscopic submucosal dissection using tissue-engineered cell sheets. Gastroenterology. 143 (3), 582-588 (2012).
- Sawa, Y., et al. Tissue engineered myoblast sheets improved cardiac function sufficiently to discontinue LVAS in a patient with DCM: report of a case. Surg. Today. 42 (2), 181-184 (2012).
