Trois dimensions technologie biomimétique: Roman Biorubber Crée Défini micro et macro-échelle Architectures en collagène 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

échafaudages tissulaires jouent un rôle crucial dans le processus de régénération des tissus. L'échafaudage idéal doit répondre à plusieurs exigences comme ayant une composition appropriée, module ciblé, et les caractéristiques architecturales bien définis. Biomatériaux qui récapitulent l'architecture intrinsèque des tissus in vivo sont vitales pour l'étude des maladies ainsi que pour faciliter la régénération des tissus mous perdus et mal formé. Une technique de biofabrication roman a été développé qui combine l'état de l'imagerie de l'art, l'impression en trois dimensions (3D), et l'activité enzymatique sélective pour créer une nouvelle génération de biomatériaux pour la recherche et l'application clinique. Le matériau développé, caoutchouc sérum-albumine bovine, est une réaction injectée dans un moule qui respecte les caractéristiques géométriques spécifiques. Ce matériau sacrificiel permet le transfert adéquat d'éléments architecturaux à un matériau d'échafaudage naturel. Le prototype se compose d'un échafaudage de collagène 3D avec 4 et 3 canaux mm que des reprESENT une architecture ramifiée. Ce document met l'accent sur l'utilisation de cette technique de biofabrication pour la production de produits d'assemblage physiques. Ce protocole utilise un logiciel assistée par ordinateur (CAO) pour fabriquer un moule solide qui sera injecté avec du caoutchouc réaction de BSA, suivi par la digestion enzymatique de la gomme, en laissant ses caractéristiques architecturales au sein du matériau d'échafaudage.

Introduction

Dans le domaine de l'ingénierie tissulaire de la capacité de fabriquer des échafaudages tissulaires est essentiel. Un échafaudage pour tissu approprié présente une structure 3D, est composée de matériaux biocompatibles, et imite l'architecture tissulaire in vivo afin de faciliter la croissance et le remodelage cellulaire et tissulaire. Cet échafaudage doit permettre le transport des nutriments et l'élimination des déchets ^1-4. L'un des principaux obstacles à la production de ces échafaudages est la capacité de récapituler les caractéristiques géométriques spécifiques dans un matériau biocompatible. Plusieurs techniques de Biofabrication ont été rapportés pour contrôler les caractéristiques géométriques de ces échafaudages, des exemples sont électrofilage ^5-8, solvant sous pression ^{9, 10} stéréolithographie, et l'impression ^3D-11, entre autres. Ces techniques ne répondent pas à fournir un transfert relativement facile de caractéristiques architecturales internes et externes contrôlables, sont coûteux, sont limités par leur résolution et l'imprimabilité ( <em> par exemple, une jauge de buse, la restriction de la matière), ou nécessitent des techniques de post-fabrication qui exige une longue période de temps pour produire des échafaudages viables ^12.

Dans de nombreux systèmes de fabrication commerciale, la création de vides internes, des canaux et des caractéristiques est obtenue en utilisant du sable ou d'autres matériaux amovibles ou sacrificiels appropriés. La pièce métallique ou en matière plastique est formée autour du moule en sable, et une fois qu'elle est solidifiée, le sable est éliminé. De la même manière, la prochaine génération de biomatériaux a besoin de l'équivalent biosable. Par conséquent, le caoutchouc BSA a été développé comme un substitut à biosable. Le caoutchouc est un matériau BSA nouvelle formule qui consiste en l'albumine de sérum bovin réticulé avec du glutaraldéhyde. Le but ultime est de recréer les caractéristiques architecturales spécifiques dans un échafaudage de collagène biodégradable. Les caractéristiques du biorubber sacrificielle qui maintient fidélité dimensionnelle avec le moule d'origine du tissu sont décrits.

<p class = "jove_content"> Plusieurs combinaisons de concentrations de glutaraldéhyde et de BSA ont été testés en utilisant une variété de solvants. Ce matériau a été réalisé par la réaction entre BSA et le glutaraldéhyde. BSA caoutchouc réaction peut être injecté dans les géométries complexes des moules de tissus. BSA est la trypsine réticulé labile et facilement digéré par l'enzyme dans des conditions de pH et de températures douces. A l'inverse, le type intacte collagène est très résistant à la digestion par la trypsine. Ces caractéristiques ont été capitalisés pour éliminer sélectivement le caoutchouc de BSA laissant le collagène derrière. Le présent travail a consisté à déterminer les paramètres idéaux nécessaires pour obtenir un moule labile qui peut fournir des caractéristiques architecturales spécifiques à un échafaudage biocompatible. Les caractéristiques spécifiques qui ont été évalués inclus miscibilité, digestion par une enzyme, porteur, et sa capacité à être la réaction injecté dans un moule négatif. La combinaison de 30% de BSA et 3% de glutaraldéhyde répond à ces exigences. Ce protocole prévoit la nécesary instructions pour créer ces échafaudages tridimensionnels. Le prototype est constitué d'un échafaudage de collagène qui représente une architecture ramifié avec une entrée et deux sorties de canal ayant des diamètres de 4 et 3 mm, respectivement. Cette technique a le potentiel pour imiter macro- et des micro-environnements du tissu d'intérêt. Cette technologie offre une technique adéquate pour fournir un instructive géométrique spécifique à un matériau biodégradable en quelques relativement facile et rapide avec une grande fidélité, qui peut être réglé pour imiter l'élasticité vivo dans des tissus et d'autres caractéristiques du tissu d'intérêt.

Protocol

1. Déterminer le pourcentage de solides dans le Lot collagène Extraire le collagène suivant une procédure déjà publié 13. Décongeler un minimum de 20 ml de collagène. Déterminer le pourcentage de matière sèche initiale de collagène dans le lot dans le but de manipuler la concentration de collagène dans les hydrogels formés. Couper trois morceaux de feuille d'aluminium (environ 6 x 6 cm) et la forme de chacun comme une casserole en utilisant le fond d'un bêcher de 25…

Representative Results

Les résultats montrent que cette technique de biofabrication est efficace pour générer des échafaudages 3D qui peuvent imiter l'arrangement spatial vu dans les tissus in vivo. Les caractéristiques architecturales sont des paramètres essentiels pour l'application de l'ingénierie tissulaire, qui jouent un rôle crucial dans l'interaction in vivo de cellules et la fonctionnalité du tissu. …

Discussion

Biofabrication est un domaine hautement multidisciplinaire dans laquelle les principes de la biologie et de l'ingénierie fusionnent pour générer des matériaux complexes qui imitent tissu natif. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de développer des techniques qui utilisent les informations recueillies à partir de tissus in vivo et le traduire en un échafaudage in vitro. De cette manière, une plate-forme peut être modifiée génétiquement qui ressemble étroitement les propriét…

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