Electrospun nanofibras Andaimes com gradações de Organização Fiber

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para fabricar andaimes electrospun nanofibras com organização gradated de fibras e explorar suas aplicações na regulação da morfologia celular / orientação. Gradientes no que diz respeito às propriedades físicas e químicas dos scaffolds nanofibras oferecer uma ampla variedade de aplicações na área biomédica.

Abstract

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible applications in controlling cell morphology/orientation. Nanofiber organization is controlled with a new fabrication apparatus that enables the gradual decrease of fiber organization in a scaffold. Changing the alignment of fibers is achieved through decreasing deposition time of random electrospun fibers on a uniaxially aligned fiber mat. By covering the collector with a moving barrier/mask, along the same axis as fiber deposition, the organizational structure is easily controlled. For tissue engineering purposes, adipose-derived stem cells can be seeded to these scaffolds. Stem cells undergo morphological changes as a result of their position on the varied organizational structure, and can potentially differentiate into different cell types depending on their locations. Additionally, the graded organization of fibers enhances the biomimicry of nanofiber scaffolds so they more closely resemble the natural orientations of collagen nanofibers at tendon-to-bone insertion site compared to traditional scaffolds. Through nanoencapsulation, the gradated fibers also afford the possibility to construct chemical gradients in fiber scaffolds, and thereby further strengthen their potential applications in fast screening of cell-materials interaction and interfacial tissue regeneration. This technique enables the production of continuous gradient scaffolds, but it also can potentially produce fibers in discrete steps by controlling the movement of the moving barrier/mask in a discrete fashion.

Introduction

Nanofibras são um utilitário popular para engenharia de tecidos, devido à sua capacidade de imitar a matriz extracelular na sua estrutura e tamanho relativo ^1. No entanto, algumas interfaces de tecido nativo, tais como o local de inserção do tendão para osso, contêm fibras de colagénio, os quais exibem uma estrutura organizacional variável que aumenta na direcção de alinhamento do tendão e diminui no local do osso ^2-5. Assim, para a regeneração de tecidos eficaz, há uma necessidade de fabricar uma estrutura de suporte que pode efectivamente mimetizar este gradiente estrutural.

Anteriormente, houve uma pesquisa conduzida em mudanças graduais na composição de fibra, mais especificamente, o teor mineral ^6. No entanto, a recriação da componente estrutural dos tecidos conjuntivos permanece largamente inexplorado. Um estudo anterior examinada gradientes morfológicas estudando o efeito da densidade de partículas de sílica de superfície sobre a proliferação de osteoblastos de calvárias de rato e encontrou um inverse relação entre a densidade de partículas de sílica e a proliferação de células ^7. Mas as mudanças morfológicas que mediaram a proliferação celular em trabalhos anteriores eram em sua maioria relacionada à rugosidade superficial falta a capacidade de imitar fibra de mudanças organizacionais ^7,8. Um estudo recente tentativa de fabricar um andaime que imitava as orientações de fibras colágenas originais usando um romance coletor para eletrofiação ^9. Embora este estudo conseguiu produzir um andaime com fibras de ambos alinhados e aleatórios, não conseguiu imitar as mudanças graduais exibidas nos tecidos nativos. Além disso, na produção de componentes separados, com uma mudança imediata da alinhado com orientação aleatória, as propriedades biomecânicas do presente andaime diminuiu significativamente. Nenhum trabalho anterior foi capaz de produzir scaffolds nanofibras aplicáveis ​​com gradações contínuas em orientações de fibra de alinhados e aleatória. Nosso estudo recente mostrou recreação sucesso de andaimes de nanofibrascom gradações de organização das fibras que podem, potencialmente, imitam a organização do colágeno nativo no tendão-de-osso de inserção ^10. Este trabalho tem como objetivo apresentar os protocolos utilizados para a produção de andaimes de nanofibras com uma estrutura que se assemelha a de organização das fibras na interface do tecido do tendão-de-osso nativo.

Estruturas de nanofibras Gradiente têm potencialmente de longo alcance aplicações em uma variedade de campos. Estamos focados em aplicações para engenharia de tecidos do local de inserção do tendão-de-osso através da combinação de nossos andaimes com células-tronco derivadas de tecido adiposo (ADSCs) que já são utilizadas para a regeneração de tecidos em vários substratos ^11-14. Além disso, ADSCs são muito semelhantes na natureza para as células-tronco da medula óssea em termos de multipotency e os recursos são abundantes que podem ser colhidas usando um simples ^15,16 procedimento de lipoaspiração. Semeando destas células para andaimes nanofibras gradativas aumenta ainda mais a sua tisprocessar as aplicações de engenharia, permitindo a distribuição controlada das células que podem, potencialmente, diferenciam-se em vários tecidos. Além disso a sementeira de células estaminais, nanofibras pode ser encapsulado com moléculas de sinalização para a regulação da resposta celular. Acoplamento nanoencapsulação com o gradiente de organização destes suportes permite o estudo do comportamento celular ou possíveis modelos de implantes e os revestimentos. A encapsulação de moléculas funcionais como proteína morfogenética óssea 2 (BMP-2), que tem sido mostrado induzir a diferenciação dos osteoblastos ^15,16, poderia aumentar ainda mais as aplicações de engenharia de tecidos destes suportes ^10.

Protocol

1. Preparação da Solução Prepara-se uma solução de poli (ε-caprolactona) (PCL) (M w = 80.000 g / mol) a uma concentração aproximada de 100 mg / ml. Dissolver PCL numa mistura de diclorometano (DCM) e N, N-dimethlyformamide (DMF), a uma proporção de 4: 1 (v / v) com uma concentração de 10% (w / v). Colocar a solução em um tubo de vidro de 20 ml para a mistura. Coloque tubo de vidro em limpador ultra-sônico por 30 minutos, ou até que a solução é translúcida. <…

Representative Results

Usando este protocolo, um tapete de fibra com um gradiente de organização foi formada. A Figura 3 mostra as imagens SEM tomadas em vários locais no cadafalso nanofibras. Qualitativamente, pode ser determinado que não existe uma progressão das fibras alinhadas uniaxialmente a 0 mm (Figura 3A) para uma variedade de fibra casual aos 6 mm (Figura 3D). A FFT dá um valor quantitativo para o alinhamento de fibras, detalhes sobre os processos quantitativos são detalhados…

Discussion

The most critical part of the protocol is generation of the gradient scaffold. It is imperative that the mask covering the collector moves at a constant velocity so there is a gradual change within the fiber scaffold. The correct preparation of PCL solution is also important to ensure electrospinning success. Checking the fiber morphology prior to electrospinning is recommendable, especially after the encapsulation of Coumarin-6, which may require a higher voltage to electrospin correctly.

Fu…

Materials

Polycaprolactone	Sigma-Aldrich	440744
N,N-Dimethlyformamide	Fisher Chemical	D-119-1
Dichloromethane	Fisher Chemical	AC61093-1000
Coumarin 6	Sigma-Aldrich	546283
Adipose Derived Stem Cells	Cellular engineering Technologies	HMSC.AD-100
Fetal Bovine Serum	Life Technologies	26140-111
Fluorescein Diacetate	Sigma-Aldrich	F7378
Ethanol	Sigma-Aldrich	E7023
Trypsin-EDTA	Invitrogen	25300-054
α-Modified Eagle's Medium	Invitrogen	a10490-01
Acetone	Fisher Scientific	s25120a
Phosphate Buffered Saline	Invitrogen	10010023
Glass Slides	VWR international, LLC	101412-842
Syringe Pump	Fisher Scientific	14-831-200	Single syringe
Ultrasonic Cleaner	Branson	1510
High Voltage DC Power Supply	Gamma High Voltage Research	ES30
Scanning Electron Microscope	FEI	Nova 2300
Fluorescence Microscope	Zeiss	Axio Imager 2