תלת ממדי טכנולוגיה Biomimetic: רומן Biorubber יוצר מוגדרת מיקרו מאקרו בקנה מידה ארכיטקטורות ב הידרוג קולגן
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
פיגומי רקמות לשחק תפקיד מכריע בתהליך התחדשות רקמות. הפיגום האידיאלי חייב למלא מספר דרישות כמו רכב ראוי שיש, מודולוס ממוקד, מאפיינים אדריכליים מוגדרים היטב. Biomaterials כי לשחזר את הארכיטקטורה הפנימית של רקמת in vivo הם חיוניים לחקר מחלות כמו גם כדי להקל על התחדשות של רקמות רכות איבד פגום. טכניקה biofabrication פותחה רומן המשלב מצב הדמיה אמנות, תלת ממדי (3D) הדפסה, ופעילות אנזימטית סלקטיבית כדי ליצור דור חדש של חומרים ביולוגיים למחקר ויישום קליני. החומר שפותח, גומי שור סרום אלבומין, הוא תגובה מוזרקת לתוך תבנית המקיימת תכונות גיאומטריות ספציפיות. חומר הקרבה זה מאפשר ההעברה הנאותה מאפיינים אדריכליים לחומר פיגום טבעי. אב הטיפוס כולל פיגום קולגן 3D עם ערוצי מ"מ 4 ו -3 כי represent ארכיטקטורה מסועפת. מאמר זה מדגיש את השימוש בטכניקת biofabrication זה ההדור של מבנים טבעיים. פרוטוקול זה מנצל תוכנה בעזרת מחשב (CAD) לייצר תבנית מוצקה אשר תהיה תגובה הזריק גומי BSA ואחריו העיכול אנזימטי של הגומי, עוזב המאפיינים האדריכליים שלה בתוך חומר הפיגום.
Introduction
בתחום הנדסת רקמות היכולת לפברק פיגומי רקמות היא חיונית. פיגום רקמות מתאים יש מבנה 3D, מורכב מחומרים ביולוגיים, ומחקתי באדריכלות רקמות vivo כדי להקל צמיחת תאים ורקמות שיפוץ. פיגום זה חייב לאפשר הובלה של חומרים מזינים ו הרחקת פסולת 1-4. אחד מכשולים העיקרי בייצור של פיגומים אלה הם היכולת לשחזר תכונות גיאומטריות ספציפיות לחומר ביולוגי. כמה טכניקות biofabrication דווחו לשלוט בתכונות הגיאומטריות של פיגומים אלו, דוגמאות הם electrospinning 5-8, ממס ליהוק 9, stereolithography 10, ו 3D-הדפסת 11, בין יתר. טכניקות אלו נופלים במתן העברה קל יחסית של מאפיינים אדריכליים פנימיים וחיצוניים לשליטה, הם יקרים, מוגבלים על ידי רזולוצית printability שלהם ( <em > למשל, מד זרבובית, הגבלת חומר), או לדרוש טכניקות שלאחר ייצור הדורש תקופה ארוכה של הזמן לייצר פיגומי קיימא 12.
במערכות ייצור מסחריות רבות, יצירת חללים פנימיות, ערוצים, ותכונות מושגות באמצעות חול או חומרים נשלפים או הקרבה מתאימים אחרים. חלק המתכת או הפלסטיק נוצר סביב עובש החול, והפעם הוא הקרושה, בחול מוסר. ב הרבה באותו אופן, את הדור הבא של חומרים ביולוגיים צריך המקבילה biosand. לכן, גומי BSA פותח כתחליף biosand. גומי BSA הוא חומר שעוצבה זה מקרוב שמורכב אלבומין בסרום שור crosslinked עם glutaraldehyde. המטרה סופית הוא ליצור מחדש מאפיינים אדריכליים מסוימים לתוך פיגום קולגן מתכלה. המאפיינים של biorubber ההקרבה מקיימת נאמנות ממדים עם העובש של רקמה המקורית מתוארים.
<p clהתחת = "jove_content"> שילובים כמה ריכוזי BSA ו glutaraldehyde נבדקו באמצעות מגוון של ממיסים. חומר זה נוצר על ידי תגובה בין BSA ו glutaraldehyde. גומי BSA יכול להיות תגובה מוזרקת הגיאומטריות הסבוכות של תבניות רקמות. BSA Crosslinked הוא טריפסין יציב ולעכל בקלות על ידי האנזים בתנאי pH וטמפרטורה קל. לעומת זאת, סוג שלמים שאני קולגן הוא עמיד מאוד לעיכול טריפסין. תכונות אלו מהוונות להסיר את גומי BSA סלקטיבי עוזב את הקולגן מאחור. העבודה נוכחית כללה קביעת הפרמטרים האידיאליים צריכים להשיג עובש יציב שיכול לספק מאפיינים אדריכליים ספציפיים פיגום ביולוגי. התכונות הספציפיות אשר הוערכו כלל mixability, עיכול אנזים, נושאים עומס, ויכולת להיות תגובה מוזרקת לתוך תבנית שלילית. השילוב של BSA 30% ו -3% glutaraldehyde מילוי דרישות אלה. פרוטוקול זה מספק את necessהנחיות האר"י ליצור פיגומים תלת ממדי אלה. אב הטיפוס כולל פיגום קולגן המייצג ארכיטקטורת קנים עם יבוא אחד ושני ערוצי זרימה בקטרים של 4 ו 3 מ"מ, בהתאמה. טכניקה זו יש פוטנציאל לחקות סביבות מיקרו מקרו של הרקמה של עניין. טכנולוגיה זו מספקת טכניקה מעשית לספק מאלפת גיאומטריות ספציפיות חומר מתכלה בתוך קל ומהיר יחסית עם איכות גבוהה, אשר יכול להיות מכוון לחקות את גמישות רקמות vivo ב ומאפיינים אחרים של הרקמה של עניין.Protocol
Representative Results
Discussion
Biofabrication הוא שדה רב תחומית ביותר שבו עקרונות הביולוגיה וההנדסה למזג ליצור בחומרים מורכבים המחקות רקמות הילידים. כדי להשיג זאת, יש צורך לפתח טכניקות להשתמש במידע שנאסף רקמות in vivo ולתרגמו פיגום חוץ גופית. בדרך זו, פלטפורמה יכולה להיות מהונדסת דומה המאפיינים ה?…
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).
