3D Mekansal Hücre Kültürleri için hücre yapı iskeleleri olarak biyo-uyumlu sıvı kristal Elastomer Köpüklerin sentezi
Summary
Bu çalışma, 3D, biyo-uyumlu yan zincir sıvı kristal elastomerler (LCEs) göre biyolojik olarak parçalanabilen, köpük-benzeri hücre iskeleleri hazırlanması için bir yöntem sunar. Konfokal mikroskopi deneyleri köpüğümsü LCEs hücre eki, proliferasyon ve C2C12s miyoblastların kendiliğinden uyum sağlamak olduğunu göstermektedir.
Abstract
Burada, bir 3D, biyolojik olarak parçalanabilen, köpük-benzeri hücre iskelesi bir adım adım hazırlanmasını sunmaktadır. Bu iskeleleri Smektik-A (SmA), sıvı kristal elastomerler (LCEs) 'de elde edilen, yan zincire asılı gruplar halinde kolesterol birimleri içeren yıldız blok ko-polimerler çapraz bağlama ile hazırlanmıştır. Köpük gibi iskeleleri, 3D hücre kültür yapı iskeleti olarak kullanılmasını uygun hale metal şablonları kullanılarak hazırlandı birbirine mikrokanallar bulunmaktadır. Metal köpük ve geleneksel gözenekli şablonu filmler, ancak kitlesel taşıma aynı zamanda daha iyi yönetimi (örneğin, besin maddeleri, gaz, atık ile karşılaştırıldığında yalnızca yüksek hücre çoğalmasını teşvik eden bir 3D cep iskele elastomer sonuç normal yapının birleşik özellikleri vb.) Metal şablon doğası köpük şekillerde (örneğin, rulo veya film) kolayca müdahale edilebilmesini sağlar ve farklı hücre çalışmaları için farklı gözenek boyutlarının ıskelesının interconnec koruyarakşablonun ted gözenekli doğası. Dağlama işlemi, bunların biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir doğa koruma, elastomerlerin kimyası etkilemez. Biz hücrelerin büyümesini ve çoğalmasını teşvik ederken bu smektik LCEs, geniş süreler boyunca büyüyünce klinik açıdan ve karmaşık doku yapıları çalışma sağlar göstermektedir.
Introduction
Hücre çalışmalarında ve hücre bağlanması ve yayılması, 1, 2, 3, 4, 5 amaçlayan doku rejenerasyonu için bir uygulama için tasarlanmış biyolojik ve biyolojik olarak uyumlu sentetik malzemelerin çeşitli örnekler vardır. 6, 7 sipariş moleküler anizotropik harici uyaranlara yanıt olabilir sıvı kristal elastomerler (LCEs) olarak bilinen biyolojik olarak uyumlu malzemelerden birkaç örnek, olmuştur. LCEs optik özelliklerin ve sıvı kristal 8 moleküler sipariş, 9 elastomerlerin mekanik ve elastik özellikler kombine uyaranlara yanıt veren malzemelerdir. LCEs dış stimülasyonu yanıt olarak şekil değişiklikleri, mekanik deformasyon, elastik davranış ve optik özellikleri karşılaşabiliruli (yani., ısı, gerilim, ışık, vs.), 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16. Daha önce yapılan çalışmalar, sıvı kristaller (LCS) hücre 4, 17 büyümesini ve yönünü duyu göstermiştir. LCEs hücre iskele ve hizalama gibi biyolojik ve tıbbi açıdan alakalı uygulamalar için uygun olabileceğini varsaymak mümkündür. Daha önce, bir "Swiss-peynir türü" gözenekli morfolojiyi 6, 18 sahip smektik biyolojik olarak uyumlu, biyolojik olarak parçalanabilen, döküm kalıplı ve ince LCEs filmlerin hazırlanmasını bildirmektedir. Ayrıca, hücre büyümesi 19 <için iskeleler globüler morfolojisi olan nematik biyo-uyumlu LCEs hazırlanansup>, 20. Çalışmalarımız ilgi 21'in dokusunun içine alacak şekilde malzemelerin mekanik özelliklerinin ayar hedeflendi. Ayrıca, bu çalışmalar elastomer hücre etkileşimleri yanı sıra elastomerler dış uyaranlara maruz hücresel yanıtı anlamak odaklanır.
temel zorluklar elastomer matrisi yoluyla hücre bağlanması ve nüfuz imkan vermek için LCEs gözenekliliğini uygun hale kısmen ve daha iyi kütle transportuna yönelik idi. Bu ince filmler 6 gözenekliliği matrisin kütlesi boyunca hücre geçirgenliği için izin verilir, ancak tüm gözenekler tamamen birbirine bağlandığı veya gözenek (homojen) daha düzenli boyutu vardı. Sonra küresel morfolojileri ile biyouyumlu nematik LCE elastomerler bildirildi. Bu nematik elastomerler bağlanma ve hücre proliferasyonu için izin verilir, ancak gözenek boyutu önlenir 10-30 um, sadece değişmektedir veya bunların kullanımı sınırlıdırhücre çizgileri 19, 20 daha geniş bir çeşitliliği ile elastomerler.
Kung ve arkadaşları tarafından önceki iş. Bir "gözden çıkarılabilir" Metal şablonu kullanılarak grafin köpüklerin oluşumuna ilişkin elde edilen grafin köpük seçilen metal şablon 22 tarafından dikte çok düzenli bir gözenekli morfolojiyi sahip olduğunu göstermiştir. Bu metodoloji gözeneklilik ve gözenek boyutu tam kontrol sunuyor. Farklı şablon oluşumu, köpük hazırlama öncesinde şekiller aynı zamanda, bir metal şablon yumuşaklık ve esneklik sağlar. Bu malzeme süzme 23, gaz çiftleşmiş 24 veya elektro-eğrilmiş elyaflar 25 gibi diğer teknikler, 26 aynı zamanda gözenekli malzemelerin hazırlanması için bir potansiyel sunmaktadır, ancak daha fazla zaman, bazı durumlarda, gözenek boyutu ile sınırlıdır, alıcı ve vardır sadece birkaç mikrometre. Köpük-benzeri 3D LCEs metal şablonları daha yüksek bir hücre yükü için izin kullanılarak hazırlandı; geliştirilmiş bir proliferasyon hızı; eş-kültürleme; ve, son olarak değil, daha iyi toplu taşıma yönetimi (yani besin, gazlar ve atık) tam doku gelişimini 27 sağlamak için. Köpük gibi 3B LCEs hücre uyumu geliştirmek için görünür; Bu hücre büyümesi ve hücre yönünü algılayacak LC kolye göre çok muhtemeldir. LCE içinde LC kısımların varlığı LCE iskele içinde hücre konumu ile ilgili olarak, hücre hizalama artırmaktadır. Dikmeler, birlikte (birleşme) 27 birleştiği yerde açık bir yönlendirme gözlenirken hücreler, LCE direklerinden içinde hizalamak.
Genel olarak, bir hücre destek ortamı olarak LCE hücre iskeleti platformu ayarlamak için bir elastomer morfolojisi ve elastik özellikleri ve özellikle de o sıralı, uzamsal düzenlemeleri oluşturmak için (bireysel) hücre tipleri hizalanmasını yönlendirmek için fırsatlar sunaryaşayan sistemlere benzer f hücreleri. Yanı sıra sürdürülmesi ve uzun süreli hücre büyümesini ve üremesini yönlendirebilen bir iskele sağlamasının, LCEs hücre yönlendirme ve etkileşimler anında değiştirilebilir dinamik deneyler, izin verir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sıvı kristal elastomerler son zamanlarda nedeniyle uyaranlar tepki için biyouyumlu hücre yapı iskeleti olarak incelenmiştir. Bunlar hücre yapı iskeleti olarak ideal bir platform olduğu kanıtlanmıştır. Ancak, hazırlama ve yeni bir LCE iskele tasarlarken akılda tutulması gereken önemli bir faktördür gözeneklilik olduğunu. Sızabilir katı 23 ya da gazların dahil, her zaman homojen gözenekli ya da tamamen birbirine gözenekler ile sonuçlanmaz. kazınmış edilebilir bir metal…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu projenin mali destek için – Yazarlar Kent State University (ReMedIKS Kent State Rejeneratif Tıp Girişimi ortak araştırma hibe ve destek) teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane | Alfa Aesar | L16606 | Silanizing agent |
| 2-bis(4-hydroxy-cyclohexyl)propane | TCI | B0928 | Reagent |
| 2-chlorohexanone | Alfa Aesar | A18613 | Reagent |
| 2-heptanone | Sigma Aldrich | W254401 | Solvent |
| 2-propanol | Sigma Aldrich | 278475 | Solvent |
| 3-chloroperbenzoic acid, m-CPBA | Sigma Aldrich | 273031 | Reagent |
| 4-dimethylaminopyridine | Alfa Aesar | A13016 | Reagent |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole, DAPI | Invitrogen | D1306 | Nuclear Stain |
| 5-hexynoic acid | Alfa Aesar | B25132-06 | Reagent |
| Acetic acid | VWR | 36289 | Solvent |
| Acetone | Sigma Aldrich | 34850 | Solvent |
| Alcohol 200 proof ACS Grade | VWR | 71001-866 | Reagent |
| Benzene | Alfa Aesar | AA33290 | Solvent |
| ε-caprolactone | Alfa Aesar | A10299-0E | Reagent |
| Chloroform | VWR | BDH1109 | Solvent |
| Cholesterol | Sigma Aldrich | C8503 | Reagent |
| Chromium(VI) oxide | Sigma Aldrich | 232653 | Reagent |
| Copper (I) iodide | Strem Chemicals | 100211-060 | Reagent |
| D,L-Lactide | Alfa Aesar | L09026 | Reagent |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 320269 | Solvent |
| Diethyl ether | Emd Millipore | EX0190 | Solvent |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma Aldrich | 270547 | Solvent |
| Dulbecco’s modified Eagle medium, DEME | CORNING Cellgo | 10-013 | Cell Media |
| Ethanol | Alfa Aesar | 33361 | Solvent |
| Formaldehyde | SIGMA Life Science | F8775 | Fixative |
| Fetal bovine serum, FBS | HyClone | SH30071.01 | Media Component |
| Filter paper, Grade 415, qualitative, crepe | VWR | 28320 | Filtration |
| Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | Central node (3-arm) |
| Hexamethylene diisocyanate, HDI | Sigma Aldrich | 52649 | Crosslinker |
| Iron(III) chloride | Alfa Aesar | 12357 | Etching agent |
| Isopropyl alcohol | VWR | BDH1133 | Solvent |
| Methanol | Alfa Aesar | L13255 | Solvent |
| N,N'-dicyclohexylcarbodiimide | Aldrich | D80002 | Solvent |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma Aldrich | 270547 | Solvent |
| Nickel metal template | American Elements | Ni-860 | Foam template |
| Neuroblastomas cells (SH-SY5Y) | ATCC | CRL-2266 | Cell line |
| Penicillin streptomycin | Thermo SCIENTIFIC | 15140122 | Antibiotics |
| Polyethylene glycol 2000, PEG | Alfa Aesar | B22181 | Reagent |
| Sodium azide | VWR | 97064-646 | Reagent |
| Sodium bicarbonate | AMRESCO | 865 | Drying salt |
| Sodium chloride | BDH | BDH9286 | Drying salt |
| Sodium phosphate dibasic heptahydrate | Fisher Scientific | S-374 | Drying salt |
| Sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma Aldrich | S9638 | Drying salt |
| Sodium sulfate | Sigma Aldrich | 239313 | Drying salt |
| Tetrahydrofuran | Alfa Aesar | 41819 | Solvent |
| Thiosulfate de sodium | AMRESCO | 393 | Drying salt |
| Tin(II) 2-ethylhexanoate | Aldrich | S3252 | Reagent |
| Toluene | Alfa Aesar | 22903 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | 471283 | Reagent |
| Trypsin | HyClone | SH30042.01 | Cell Detachment |
| Olympus FV1000 |
Riferimenti
- Khor, E., Lim, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials. 24 (13), 2339-2349 (2003).
- Chung, H. J., Park, T. G. Surface engineered and drug releasing pre-fabricated scaffolds for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 59 (4-5), 249-262 (2007).
- Yakacki, C. M., Gall, K. Shape-Memory Polymers for Biomedical Applications. Shape-Memory Polymers. 226, 147-175 (2010).
- Agrawal, A., et al. Stimuli-responsive liquid crystal elastomers for dynamic cell culture. J. of Mat. Res. 30 (4), 453-462 (2015).
- Agrawal, A., Yun, T. H., Pesek, S. L., Chapman, W. G., Verduzco, R. Shape-responsive liquid crystal elastomer bilayers. Soft Matter. 10 (9), 1411-1415 (2014).
- Sharma, A., et al. Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures. Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).
- Yakacki, C. M., et al. Tailorable and programmable liquid-crystalline elastomers using a two-stage thiol-acrylate reaction. RSC Adv. 5 (25), 18997-19001 (2015).
- deGennes, P. G., Hebert, M., Kant, R. Artificial muscles based on nematic gels. Macromolecular Symposia. 113, 39-49 (1997).
- Fleischmann, E. -. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (34), 8810-8827 (2013).
- Finkelmann, H., Kim, S. T., Munoz, A., Palffy-Muhoray, P., Taheri, B. Tunable mirrorless lasing in cholesteric liquid crystalline elastomers. Adv. Mater. 13 (14), 1069-1072 (2001).
- Artal, C., et al. SHG characterization of different polar materials obtained by in situ photopolymerization. Macromolecules. 34 (12), 4244-4255 (2001).
- Camacho-Lopez, M., Finkelmann, H., Palffy-Muhoray, P., Shelley, M. Fast liquid-crystal elastomer swims into the dark. Nat. Mater. 3 (5), 307-310 (2004).
- Yamada, M., et al. Photomobile polymer materials: Towards light-driven plastic motors. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (27), 4986-4988 (2008).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
- Fleischmann, E. -. K., et al. One-piece micropumps from liquid crystalline core-shell particles. Nat. Commun. 3, (2012).
- Herzer, N., et al. Printable Optical Sensors Based on H-Bonded Supramolecular Cholesteric Liquid Crystal Networks. J. Am. Chem. Soc. 134 (18), 7608-7611 (2012).
- Lockwood, N. A., et al. Thermotropic liquid crystals as substrates for imaging the reorganization of matrigel by human embryonic stem cells. Adv. Funct. Mater. 16 (5), 618-624 (2006).
- Sharma, A., et al. Effects of structural variations on the cellular response and mechanical properties of biocompatible, biodegradable, and porous smectic liquid crystal elastomers. Macromol. Biosci. , (2016).
- Bera, T., et al. Liquid Crystal Elastomer Microspheres as Three-Dimensional Cell Scaffolds Supporting the Attachment and Proliferation of Myoblasts. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (26), 14528-14535 (2015).
- Bera, T., Malcuit, C., Clements, R. J., Hegmann, E. Role of Surfactant during Microemulsion Photopolymerization for the Creation of Three-Dimensional Liquid Crystal Elastomer Microsphere Spatial Cell Scaffolds. Front. Mater. 3 (31), (2016).
- McKee, C. T., Last, J. A., Russell, P., Murphy, C. J. Indentation Versus Tensile Measurements of Young’s Modulus for Soft Biological Tissues. Tissue Eng. Part B Rev. 17 (3), 155-164 (2011).
- Kung, C. -. C., et al. Preparation and characterization of three dimensional graphene foam supported platinum-ruthenium bimetallic nanocatalysts for hydrogen peroxide based electrochemical biosensors. Biosens. Bioelectron. 52, 1-7 (2014).
- Amsden, B. Curable, biodegradable elastomers: emerging biomaterials for drug delivery and tissue engineering. Soft Matter. 3 (11), 1335-1348 (2007).
- Sinturel, C., Vayer, M., Morris, M., Hillmyer, M. A. Solvent Vapor Annealing of Block Polymer Thin Films. Macromolecules. 46 (14), 5399-5415 (2013).
- Riboldi, S. A., et al. Skeletal myogenesis on highly orientated microfibrous polyesterurethane scaffolds. J. Biomed. Mater. Res. A. 84 (4), 1094-1101 (2008).
- Chung, S., Moghe, A. K., Montero, G. A., Kim, S. H., King, M. W. Nanofibrous scaffolds electrospun from elastomeric biodegradable poly(L-lactide-co-epsilon-caprolactone) copolymer. Biomed. Mater. 4 (1), 9 (2009).
- Gao, Y. X., et al. Biocompatible 3D Liquid Crystal Elastomer Cell Scaffolds and Foams with Primary and Secondary Porous Architecture. ACS Macro Lett. 5 (1), 14-19 (2016).
- Lenoir, S., et al. Ring-opening polymerization of alpha-chloro-is an element of-caprolactone and chemical modification of poly(alpha-chloro-is an element of-caprolactone) by atom transfer radical processes. Macromolecules. 37 (11), 4055-4061 (2004).
- Younes, H. M., Bravo-Grimaldo, E., Amsden, B. G. Synthesis, characterization and in vitro degradation of a biodegradable elastomer. Biomaterials. 25 (22), 5261-5269 (2004).
- Donaldson, T., Henderson, P. A., Achard, M. F., Imrie, C. T. Chiral liquid crystal tetramers. J. Mater. Chem. 21 (29), 10935-10941 (2011).
- Palmgren, R., Karlsson, S., Albertsson, A. C. Synthesis of degradable crosslinked polymers based on 1,5-dioxepan-2-one and crosslinker of bis-epsilon-caprolactone type. J. Pol. Sci. A Polym. Chem. 35 (9), 1635-1649 (1997).
