ثلاثي الأبعاد تكنولوجيا المحاكاة البيولوجية: رواية Biorubber يخلق معرف الصغرى، وعلى نطاق والماكرو-البنى في الكولاجين الهلاميات المائية
Summary
An innovative biofabrication technique was developed to engineer three-dimensional constructs that resemble the architectural features, components, and mechanical properties of in vivo tissue. This technique features a newly developed sacrificial material, BSA rubber, which transfers detailed spatial features, reproducing the in vivo architectures of a wide variety of tissues.
Abstract
السقالات الأنسجة تلعب دورا حاسما في عملية تجديد الأنسجة. السقالة المثالية يجب أن تتوفر عدة شروط مثل وجود التركيبة الصحيحة، معامل المستهدفة، والسمات المعمارية واضحة المعالم. المواد الحيوية التي تلخص العمارة الجوهرية في الجسم الحي الأنسجة حيوية لدراسة الأمراض وكذلك لتسهيل تجديد الأنسجة الرخوة المفقودة والتالفة. وقد تم تطوير تقنية جديدة biofabrication الذي يجمع بين دولة من فن التصوير، ثلاثية الأبعاد الطباعة (3D)، والنشاط الأنزيمي انتقائية لخلق جيل جديد من المواد الحيوية للبحث والتطبيق السريري. المواد المتقدمة، الأبقار مصل الزلال المطاط، هي رد فعل حقن القالب الذي يدعم ميزات هندسية محددة. هذه المواد الأضاحي تتيح نقل كافية من المعالم المعمارية لمادة سقالة الطبيعية. يتكون النموذج من سقالة الكولاجين 3D مع 4 و 3 قنوات مم أن reprESENT بنية متفرعة. وتؤكد هذه الورقة استخدام هذه التقنية biofabrication لتوليد بنيات الطبيعية. هذا البروتوكول يستخدم برنامج بمساعدة الكمبيوتر (CAD) لتصنيع القالب الصلب الذي سيكون رد فعل حقن المطاط BSA تليها عملية الهضم الأنزيمي من المطاط، وترك المعالم المعمارية في غضون المواد سقالة.
Introduction
في مجال هندسة الأنسجة القدرة على تصنيع السقالات الأنسجة الحيوية. سقالة الأنسجة المناسبة لديها بنية 3D، وتتكون من المواد حيويا، ويقلد في الهندسة المعمارية أنسجة الجسم الحي لتسهيل نمو الخلايا والأنسجة والتجديد. هذا سقالة يجب أن يسمح بنقل المواد الغذائية وإزالة النفايات 1-4. واحدة من العقبات الرئيسية في إنتاج هذه الاطر هو القدرة على تلخيص ملامح هندسية معينة إلى مادة حيويا. وقد تم الإبلاغ عن العديد من التقنيات biofabrication للسيطرة على الميزات الهندسية من هذه الاطر، والأمثلة والعزل الكهربائي 5-8، المذيبات الصب 9، المجسمة 10، و3D-طباعة 11، من بين أمور أخرى. هذه التقنيات تقصر في توفير نقل من السهل نسبيا من المعالم المعمارية الداخلية والخارجية يمكن السيطرة عليها، ومكلفة، وتقتصر بموجب قرار والقابليه ( <em > على سبيل المثال، وقياس فوهة، وتقييد المواد)، أو تتطلب تقنيات ما بعد التصنيع الذي يتطلب فترة طويلة من الوقت لإنتاج السقالات قابلة للحياة 12.
في كثير من النظم تلفيق التجارية، وخلق الفراغات الداخلية، والقنوات، والميزات وتحقيقه باستخدام الرمل أو غيرها من المواد القابلة للإزالة أو الأضاحي مناسبة. ويتكون الجزء المعدني أو البلاستيك حول القالب الرمال، وبمجرد عزز ذلك، تتم إزالة الرمال. وبنفس الطريقة، الجيل القادم من المواد الحيوية يحتاج ما يعادل biosand. لذلك، تم تطوير المطاط BSA كبديل للbiosand. المطاط BSA هو مادة صيغت حديثا والتي تتكون من ألبومين المصل البقري crosslinked مع غلوتارالدهيد. والهدف النهائي هو إعادة المعالم المعمارية محددة في سقالة الكولاجين القابلة للتحلل. ووصف خصائص biorubber الذبيحه التي تحافظ على الإخلاص الأبعاد مع قالب من الأنسجة الأصلية.
<p clتم اختبار الحمار = "jove_content"> عدة مجموعات من تركيزات BSA وغلوتارالدهيد باستخدام مجموعة متنوعة من المذيبات. تم إنشاء هذه المواد عن طريق تفاعل بين جيش صرب البوسنة وغلوتارالدهيد. BSA المطاط يمكن أن يكون رد فعل حقنها في هندستها معقدة من القوالب الأنسجة. Crosslinked BSA والتربسين عطوب وهضمها بسهولة بواسطة انزيم في الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة ظروف معتدلة. على العكس من ذلك، نوع سليمة أنا الكولاجين هو مقاومة جدا للهضم التربسين. تم رسملة هذه الميزات لإزالة انتقائي المطاط BSA ترك الكولاجين وراء. يتألف هذا العمل من تحديد المعايير المثالية اللازمة للحصول على قالب قابل للتغيير التي يمكن أن توفر ميزات معمارية محددة لسقالة حيويا. وتشمل السمات المحددة التي تم تقييمها mixability، انزيم الهضم، الحاملة، والقدرة على أن يكون رد فعل حقن في قالب سلبي. مزيج من 30٪ BSA و 3٪ غلوتارالدهيد يفي بهذه المتطلبات. يوفر هذا البروتوكول necessالمبادئ التوجيهية آرى لإنشاء هذه السقالات ثلاثية الأبعاد. يتكون النموذج من سقالة الكولاجين التي تمثل بنية متفرعة مع تدفق واحد وقناة تدفق مع اثنين من أقطار 4- و 3 ملم، على التوالي. هذه التقنية لديها القدرة على تقليد الكلي والجزئي بيئات الأنسجة من الاهتمام. توفر هذه التكنولوجيا تقنية قابلة للتطبيق لتقديم المفيد هندسي محدد لمادة قابلة للتحلل في مسألة سهلة والوقت المناسب نسبيا مع الدقة العالية، والتي يمكن ضبطها لمحاكاة في الجسم الحي مرونة الأنسجة وغيرها من الأنسجة من الاهتمام الخصائص.Protocol
Representative Results
Discussion
Biofabrication هو حقل متعدد التخصصات للغاية التي تندمج علم الأحياء والهندسة مبادئ لتوليد المواد المعقدة التي تحاكي الأنسجة الأم. من أجل تحقيق ذلك، هناك حاجة إلى تطوير التقنيات التي تستخدم المعلومات التي تم جمعها من في الجسم الحي الأنسجة وترجمتها إلى سقالة في المختب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH-NIDCR IRO1DE019355 (MJ Yost, PI), and NSF-EPSCoR (EPS-0903795).
Materials
| Collagen type I | Collagen extracted from calf hide | ||
| Hydrocloric Acid (HCl) | Sigma-Aldrich | 7647-01-0 | |
| Phosphate Buffer Solution (PBS Tablets) | MP Biomedical | U5378 | 1 tablet per 100 mL makes 1XPBS |
| Albumium from bovine serum (BSA) | Sigma-Aldrich | A9647 | |
| Glutaraldehyde | Sigma -Aldrich | G5882 | Toxic |
| Lard | Fields | 3090 | |
| Stainless Steel Molds | Milled using Microlution Machine | ||
| Air Brush Kit | Central Pneumatic | 47791 | |
| Mixing Tip for double syringe | Medmix | ML2.5-16-LLM | Mixer, DN2,5X16, 4:1 brown, med |
| Small O ring for double syringe | Medmix | PPB-X05-04-02SM | Piston B, 5mL, 4:1, PE natural |
| Double Syringe cap | Medmix | VLX002-SM | Cap, 4:1/10:1, PE brown, med |
| Big O ring for double syringe | Medmix | PPA-X05-04-02SM | Piston A, 5 mL, 4:1 |
| Double Syringe | Medmix | SDL X05-04-50M | Double syringe, 5 mL, 4:1 |
| Double Syringe Dispenser | Medmix | DL05-0400M | Dispenser, 5 mL, 4:1, med , plain |
| Laminim | 3.6 mg/mL- extracted USC lab | ||
| 20 mL Syringe Luer Lock Tip | BD | 302830 | |
| Luer Lock Caps | Fisher | JGTCBLLX | |
| HEPES | Sigma -Aldrich | H4034 | |
| Gibco Minimum Essential Media 10X (MEM) | Life Technologies | 1143-030 | |
| Trypsin | Life Technologies | 27250-018 | |
| UV Crosslinker | Spectroline UV | XLE1000 | |
| Sodium Cloride (NaCl) | Fisher | S271-10 | To prepare Mosconas |
| Potassium chloride (KCl) | Sigma -Aldrich | P5405-250 | To prepare Mosconas |
| Sodium Bicarbonate (NaHCO3) | Fisher | BP328-500 | To prepare Mosconas |
| Glucose | Sigma -Aldrich | G-8270 | To prepare Mosconas |
| Sodium Phosphate didasic (NaH2PO4) | Sigma-Aldrich | S-7907 | To prepare Mosconas |
| Sterile Filter for syringes | Corning | 431224 |
References
- Kundu, J., Pati, F., Hun Jeong, Y., Cho, D. W., Cho, D. W., Forgacs, G. a. b. o. r., Sun, W. e. i. . Biofabrication. , 23-46 (2013).
- Vats, A., Tolley, N. S., Polak, J. M., Gough, J. E. Scaffolds and biomaterials for tissue engineering: a review of clinical applications. Clin. Otolaryngol. 28, 165-172 (2003).
- Chan, B. P., Leong, K. W. Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. Eur Spine J. 17, s467-s479 (2008).
- Salerno, A., Di Maio, E., Iannace, S., Netti, P. A. Tailoring the pore structure of PCL scaffolds for tissue engineering prepared via gas foaming of multi-phase blends. J. Porous Mater. 19, 181-188 (2011).
- Hasan, A., et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta Biomater. 10, 11-25 (2014).
- Huang, Z. -. M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos. Sci. Technol. 63, 2223-2253 (2003).
- Sell, S. A., McClure, M. J., Garg, K., Wolfe, P. S., Bowlin, G. L. Electrospinning of collagen/biopolymers for regenerative medicine and cardiovascular tissue engineering. Adv. Drug. Deliv. Rev. 61, 1007-1019 (2009).
- Zheng, W., Zhang, W., Jiang, X. Biomimetic Collagen Nanofibrous Materials for Bone Tissue Engineering. Adv. Eng. Mater. 12, B451-B466 (2010).
- Cao, H., Kuboyama, N. A biodegradable porous composite scaffold of PGA/beta-TCP for bone tissue engineering. Bone. 46, 386-395 (2010).
- Ankam, S., et al. Substrate topography and size determine the fate of human embryonic stem cells to neuronal or glial lineage. Acta Biomater. 9, 4535-4545 (2013).
- Bose, S., Vahabzadeh, S., Bandyopadhyay, A. Bone tissue engineering using 3D printing. Mater. Today. 16, 496-504 (2013).
- Billiet, T., Vandenhaute, M., Schelfhout, J., Van Vlierberghe, S., Dubruel, P. A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering. Biomaterials. 33, 6020-6041 (2012).
- Yost, M. J., et al. A novel tubular scaffold for cardiovascular tissue engineering. Tissue Eng. 10, 273-284 (2004).
- Habeeb, A. J., Hiramoto, R. Reaction of proteins with glutaraldehyde. Arch Biochem Biophys. 126, 16-26 (1968).
- Tanford, C., Buzzell, J. G. The Viscosity of Aqueous Solutions of Bovine Serum Albumin between pH 4.3 and 10.5. J. Phys. Chem. 60, 225-231 (1956).
- Yadav, S., Shire, S. J., Kalonia, D. S. Viscosity analysis of high concentration bovine serum albumin aqueous solutions. Pharm Res. 28, 1973-1983 (2011).
- Tobitani, A., Ross-Murphy, S. B. The intrinsic viscosity of polyelectrolytes revisited. Polym. Int. 44, 338-347 (1997).
- Arakawa, T., Timasheff, S. N. Theory of protein solubility. Methods Enzymol. 114, 49-77 (1985).
- Migneault, I., Dartiguenave, C., Bertrand, M. J., Waldron, K. C. Glutaraldehyde: behavior in aqueous solution, reaction with proteins, and application to enzyme crosslinking. Biotechniques. 37, 790-796 (2004).
- Burmeister, J. J., et al. Glutaraldehyde cross-linked glutamate oxidase coated microelectrode arrays: selectivity and resting levels of glutamate in the CNS. ACS Chem Neurosci. 4, 721-728 (2013).
- Chatterji, P. R. Gelatin with hydrophilic/hydrophobic grafts and glutaraldehyde crosslinks. J. Appl. Polym. Sci. 37, 2203-2212 (1989).
- Freije, J. R., et al. Chemically modified, immobilized trypsin reactor with improved digestion efficiency. J Proteome Res. 4, 1805-1813 (2005).
- Cunha-Filho, M. S., Alvarez-Lorenzo, C., Martinez-Pacheco, R., Landin, M. Temperature-sensitive gels for intratumoral delivery of beta-lapachone: effect of cyclodextrins and ethanol. ScientificWorldJournal. 2012, 126723 (2012).
- Basak, R., Bandyopadhyay, R. Encapsulation of hydrophobic drugs in Pluronic F127 micelles: effects of drug hydrophobicity, solution temperature, and pH. Langmuir. 29, 4350-4356 (2013).
