Shape Memory Polymers för Active Cell Culture
Summary
En metod för att utveckla substrat cellodling med förmågan att förändra topografin under kulturen beskrivs. Metoden använder sig av smarta material som kallas polymerer form minne som har en förmåga att memorera en permanent form. Detta koncept kan anpassas till en mängd olika material och applikationer.
Abstract
Form minne polymerer (SMPS) är en klass av "smarta" material som har förmågan att byta från en fast, tillfällig form till en förutbestämd fast form på ansökan av en retning såsom värme 1-5. I en typisk form minne cykel, är SMP first deformerad vid förhöjd temperatur som är högre än sin övergång temperatur, T trans [antingen smälttemperatur (T m) eller Glasningstemperaturen (T g)]. Deformationen är elastisk i naturen och främst leder till en minskning konformationsanalys entropi av de ingående nätverk kedjorna (efter gummi elasticitetsteori). Den deformerade SMP kyls sedan till en temperatur under sin T trans samtidigt som yttre påfrestning eller stress konstant. Under kylning, materialet övergångar till en styvare tillstånd (halvkristallint eller glasartad), som kinetiskt fällor eller "fryser" materialet i denna låg entropi tillstånd som leder till makroskopiska formen fastställande. Shape återhämtning utlöses genom att kontinuerligt uppvärmning av materialet genom T trans under en stressfri (obegränsad) skick. Genom att låta nätverket kedjorna (med återvunna rörlighet) att koppla till sina termodynamiskt gynnad, max-, entropi stat, väsentliga förändringar från den tillfälliga formen till det fasta form.
Celler kan kartlägga de mekaniska egenskaperna hos den omgivande miljön 6. De mekanismer genom vilka mekanisk växelverkan mellan celler och deras fysiska miljön kontroll cellens beteende är områden för aktiv forskning. Substrat definieras topografi har dykt upp som kraftfulla verktyg i utredningen av dessa mekanismer. Mesoskaliga, mikroskala, och nanoskala mönster av substrat topografi har visat sig direkt celljustering, cell adhesion och cell krafter dragkraft 7-14. Dessa resultat har understrukit potential för substratet topografi att kontrollera och analys den mekaniska interaktionen mellan celler och deras fysiska miljön under cellodling, men det substrat som hittills använts har i allmänhet varit passiv och inte kunde programmeras att förändras kraftigt under kultur. Denna fysiska stasis har begränsad potential topografiska underlag för att styra celler i kultur.
Här är aktiva cellkultur (ACC) SMP substrat införs som använder minnet ytan utformade att de ger programmerad kontroll av substrat topografi och deformation. Dessa substrat visa förmåga att övergången från en tillfällig räfflad topografi till en andra, nästan platt memorerat topografi. Denna förändring i topografi kan användas för att kontrollera cellens beteende under normala förhållanden cellkultur.
Protocol
Discussion
T g NOA63 kan enkelt styras via härdningstemperaturen. Vi använde detta för att generera SMP substrat som kan utlösas i en cell kompatibla sortiment. NOA63 är plastad med vatten vilket sänker den torra T g, så vi ökade torra T g genom härdning vid 125 ° C för att flytta den blöta Tg varierar mellan 30 och 37 ° C.
Den aktiva cellkultur visade substrat kan kontrollera cellens beteende. Resultaten av microfilament omorganisation belysa möjlighetern…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Kelly A. Burke för tekniskt bistånd med ACC substratet. Baserat på artikel i Biomaterial, Davis KA, et al, Dynamisk cellens beteende på form minne polymera substrat, biomaterial, doi:. 10.1016/j.biomaterials.2010.12.006, Copyright Elsevier (2011). Detta material är baserat på arbete som stöds av NSF enligt bidragsavtal nr DMR-0.907.578.
Materials
| Name of the reagent or instrument | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| NOA63 | Norland Products Inc. | NOA63 | Lot number 111 |
| Dogbone Punch | TestResource, Inc. Shakopee, MN | Scaled-down Type IV dogbone (ASTM D638-03) | |
| Benchtop Hydraulic Press | Carver | 3851 | |
| C3H10T1/2 Mouse Embryonic Fibroblasts | ATCC | CCL-226 | |
| Biological Safety Cabinet | Thermo Fisher | 1357 | |
| UV Lamp | Spectroline | SB-100PC | |
| Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) | TA Instruments, Inc. | Q800 | |
| Inverted Fluorescence Microscope | Leica | Leica DMI 4000B | |
| Confocal Laser Scanning Microscope | Zeiss | LSM 710 | 20x/0.8 NA air or a 40x/1.30 NA oil objective |
References
- Liu, C., Qin, H., Mather, P. T. Review of progress in shape-memory polymers. J. Mater. Chem. 17, 1543-1543 (2007).
- Mather, P. T., Luo, X. F., Rousseau, I. A. Shape Memory Polymer Research. Annu. Rev. Mater. Res. 39, 445-445 (2009).
- Lendlein, A., Kelch, S. Shape Memory Polymers. Angew. Chem. Int. Edit. 41, 2034-2034 (2002).
- Ratna, D., Karger-Kocsis, J. Recent advances in shape memory polymers and composites: a review. J. Mater. Sci. 43, 254-254 (2008).
- Rousseau, I. A. Challenges of shape memory polymers: A review of the progress toward overcoming SMP’s limitations. Polym. Eng. Sci. 48, 2075-2075 (2008).
- Pelham, R. J., Wang, Y. L. Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 94, 13661-13661 (1997).
- Addae-Mensah, K. A., Kassebaum, N. J., Bowers, M. J., Reiserer, R. S., Rosenthal, S. J., Moore, P. E., Wikswo, J. P. A flexible, quantum dot-labeled cantilever post array for studying cellular microforces. Sensor Actuat. a-Phys. 136, 385-385 (2007).
- du Roure, O., Saez, A., Buguin, A., Austin, R. H., Chavrier, P., Siberzan, P., Ladoux, B. Force mapping in epithelial cell migration. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 2390-2390 (2005).
- Lam, T., Clem, W. C., Takayama, S. Reversible on-demand cell alignment using reconfigurable microtopography. Biomaterials. 29, 1705-1705 (2008).
- Stevens, M. M., George, J. H. Exploring and engineering the cell surface interface. Science. 310, 1135-1135 (2005).
- Tan, L., Tien, J., Pirone, D. M., Gray, D. S., Bhadriraju, K., Chen, C. S. Cells lying on a bed of microneedles: an approach to isolate mechanical. 100, 1484-1484 (2003).
- Teixeira, A. I., Nealey, P. F., Murphy, C. J. Responses of human keratocytes to micro- and nanostructured substrates. J. Biomed. Mater. Res. A. 71A, 369-369 (2004).
- Yang, M., Sniadecki, N., Chen, C. Geometric Considerations of Micro- to Nanoscale Elastomeric Post Arrays to Study Cellular Traction Forces. Adv. Mater. 19, 3119-3119 (2007).
- Zhao, Y., Zhang, X. Cellular Mechanics Study in Cardiac Myocytes Using PDMS Pillars Array. Sensor Actuat. a-Phys. 125, 398-398 (2006).
- DiOrio, A. M., Luo, X., Lee, K. M., Mather, P. T. A Functionally Graded Shape Memory Polymer. Soft Matter. 7, 68-68 (2011).
- Davis, K. A., Burke, K. A., Mather, P. T., Henderson, J. H. Dynamic cell behavior on shape memory polymer substrates. Biomaterials. 32, 2285-2285 (2011).
