Driedimensionale Biomimetic Technologie: Novel Biorubber Creëert Defined micro- en macro-schaal Architectures in Collageen Hydrogels
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
Weefsel steigers spelen een cruciale rol in het weefsel regeneratieproces. De ideale steiger moet voldoen aan een aantal eisen, zoals het hebben van een goede samenstelling, gerichte modulus, en goed gedefinieerde architectonische kenmerken. Biomaterialen die de intrinsieke structuur van in vivo weefsel herhalen van vitaal belang voor het bestuderen van ziekten en voor de regeneratie van verloren misvormde weke delen te vergemakkelijken. Een nieuwe biofabrication techniek ontwikkeld die geavanceerde imaging, driedimensionale (3D) drukken en selectieve enzymatische activiteit waarmee een nieuwe generatie van biomaterialen voor onderzoek en klinische toepassing. Het ontwikkelde materiaal, runderserumalbumine rubber, is de reactie geïnjecteerd in een mal die specifieke geometrische kenmerken handhaaft. Dit offeren materiaal maakt het mogelijk een adequate overdracht van de architectonische kenmerken van een natuurlijke steiger materiaal. Het prototype bestaat uit een 3D collageen steiger met 4 en 3 mm kanalen die reprESENT een vertakte architectuur. Dit document benadrukt het gebruik van deze biofabrication techniek voor het genereren van natuurlijke constructen. Dit protocol maakt gebruik van een computer-aided software (CAD) aan een vaste matrijs die reactiegegoten met BSA rubber gevolgd door enzymatische digestie van het rubber zal produceren, waardoor de architecturale eigenschappen in de dragermateriaal.
Introduction
Op het gebied van tissue engineering de mogelijkheid om weefsel steigers fabriceren is van vitaal belang. Een geschikte weefselskelet een 3D structuur bestaat uit biocompatibele materialen, en bootst in vivo weefselarchitectuur naar cel en weefselgroei en remodellering bevorderen. Deze steiger moet het transport van voedingsstoffen en de verwijdering van afvalstoffen 1-4 toestaan. Een van de belangrijkste obstakels bij de productie van deze steigers is de mogelijkheid om specifieke geometrische kenmerken herhalen in een biocompatibel materiaal. Biofabrication verscheidene technieken zijn gerapporteerd aan de geometrische kenmerken van deze steigers temperen, electrospinning voorbeelden 5-8, solvent-casting 9, 10 stereolithografie en 3D-printen 11, onder anderen. Deze technieken tekortschieten bij het verstrekken van een relatief eenvoudige overdracht van beheersbare interne en externe architectonische kenmerken, zijn duur, worden beperkt door hun resolutie en bedrukbaarheid ( <em> bijvoorbeeld nozzle gauge, materieel beperking), of vereisen na vervaardigingstechnieken dat een lange tijd levensvatbare stellage 12 te produceren vereist.
In veel commerciële fabricage systemen, is het ontstaan van holten, kanalen en kenmerken bereikt met zand of andere geschikte verwijderbare of te offeren materiaal. De metalen of plastic deel wordt gevormd rond de zandmal en zodra deze is gestold, wordt het zand verwijderd. In vrijwel dezelfde manier, de volgende generatie van biomaterialen heeft de BioSand equivalent. Daarom werd de BSA rubber ontwikkeld ter vervanging van BioSand. De BSA rubber een nieuw samengestelde materiaal dat uit runderserumalbumine verknoopt met glutaaraldehyd. Het uiteindelijke doel is om specifieke architectonische kenmerken herscheppen in een biologisch afbreekbaar collageen schavot. De kenmerken van de opofferende biorubber die dimensionele getrouwheid handhaaft de vorm van het oorspronkelijke weefsel beschreven.
<p class = "jove_content"> Meerdere combinaties van BSA en glutaaraldehyde concentraties werden getest met een verscheidenheid van oplosmiddelen. Dit materiaal is gemaakt door de reactie tussen BSA en glutaaraldehyde. BSA rubber kan reactiemengsel geïnjecteerd in de ingewikkelde geometrie van het weefsel vormen. Verknoopte BSA trypsine labiel en gemakkelijk verteerd door het enzym onder milde pH en temperatuuromstandigheden. Omgekeerd intacte type I collageen is zeer resistent tegen trypsine digestie. Deze functies werden gekapitaliseerd voor het selectief verwijderen van de BSA rubber verlaten van het collageen achter. De huidige werkzaamheden bestonden uit het bepalen van de ideale parameters die nodig zijn om een labiele schimmel die specifieke architectonische kenmerken kan leveren aan een biocompatibel schavot te verkrijgen. De specifieke kenmerken die werden geëvalueerd opgenomen mengbaarheid, enzymdigestie, draagkrachtig, en het vermogen om de reactie geïnjecteerd in een negatieve vorm zijn. De combinatie van 30% BSA en 3% glutaaraldehyde aan deze vereisten voldoet. Dit protocol voorziet in de necessary richtlijnen om deze driedimensionale scaffolds te creëren. Het prototype bestaat uit een collageen scaffold dat een vertakte architectuur met een in- en twee uitstroomkanaal met diameters van 4 en 3 mm, respectievelijk vertegenwoordigt. Deze techniek heeft het potentieel om macro- en micro-omgeving van het weefsel van belang na te bootsen. Deze technologie een haalbare techniek om een specifieke geometrische leerzaam leveren aan een biologisch afbreekbaar materiaal in een relatief eenvoudige en geschikte kwestie met hoge getrouwheid, die kunnen worden afgestemd op de in vivo weefsel elasticiteit en andere eigenschappen van het weefsel van belang na te bootsen.Protocol
Representative Results
Discussion
Biofabrication is een zeer multidisciplinair veld waarin biologie en engineering principes fuseren tot complexe materialen die thuishoren weefsel na te bootsen te genereren. Om dit te bereiken, is er een behoefte aan technieken die de informatie uit in vivo weefsel gebruiken en deze in een in vitro scaffold ontwikkelen. Zo kan een platform worden gemanipuleerd dat lijkt op het architectonische, functionele en mechanische eigenschappen van het weefsel in vivo. De optimale steigermateriaal moete…
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).
