Extensión de esteras de nanofibras Electrospun de dos dimensiones en tres dimensiones andamios
Summary
Este artículo demuestra la técnica de expansión de una estera de nanofibras electrospun (2D) tradicional, dos dimensiones en un andamio de tres dimensiones (3D) a través de la despresurización de subcritical CO2 líquido. Estos andamios aumentados son 3D, cerca mímica celular nanotopographic señales y preservar las funciones de las moléculas biológicas encapsuladas dentro de las nanofibras.
Abstract
Electrospinning ha sido la tecnología preferida en la producción de un andamio sintético, funcional debido a la biomimética matriz extracelular y el control de la facilidad de la composición, estructura y diámetro de las fibras. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, nanofibras electrospun tradicionales andamios vienen con limitaciones incluyendo desorganizan orientación de nanofibras, baja porosidad, tamaño de poro pequeño y tapetes principalmente dos dimensiones. Como tal, hay una gran necesidad para el desarrollo de un nuevo proceso para la fabricación de andamios de nanofibras electrospun que pueden superar las limitaciones. En este documento, se describe un método novedoso y simple. Una estera de nanofibras 2D tradicional se transforma en un andamio 3D con el espesor deseado, distancia de brecha, porosidad y señales nanotopographic para permitir la siembra de células y la proliferación a través de la despresurización de subcritical CO2 líquido. Además de proporcionar un andamio para la regeneración de los tejidos que se produzca, este método también ofrece la posibilidad de encapsular moléculas bioactivas como péptidos antimicrobianos para la entrega local de la droga. El CO2 ampliado nanofibras andamios tienen gran potencial en la regeneración de los tejidos, la cicatrización de heridas, tejido 3D modelado y administración de fármacos tópicos.
Introduction
El concepto de desarrollar un andamio sintético que puede ser implantado a pacientes para ayudar en la regeneración y reparación del tejido es uno que ha calado en el campo de la medicina regenerativa durante décadas. El andamio sintético ideal sirve para inducir la migración de células de tejido sano circundante, proporciona una arquitectura de vascularización de soportes siembra, adherencia, señalización, proliferación y diferenciación celular, permite la oxigenación adecuada y entrega de nutrición y promueve la actividad inmune del host para asegurar el éxito después de la implantación1. Además, puede utilizarse como un portador para incrustar las moléculas antimicrobianas para ayudar en la cicatrización1,3,6,7,8,9. La capacidad para controlar la liberación temporal de estas moléculas biológicas desde el andamio sintético es otro atributo deseable que se considera cuando ingeniería andamios1.
Electrospinning ha sido una técnica bien utilizada para la producción de nanofibras andamios1,2,3,4,5,6. Intentos anteriores de crear un andamio de nanofibras como el que aquí se han realizado en diversos grados de éxito. Sin embargo, andamios tradicionales nanofibras tienen limitadas habilidades para lograr estas metas. Andamios de nanofibras tradicionales han sido principalmente dos dimensiones esteras1,3. Estos andamios no expandidos se embalan denso con tamaños de poro pequeño; Esto limita la infiltración de la célula, la migración y la diferenciación como no promueve un ambiente bastante similar a las encontradas en vivo1,7,8,9. Por esta razón, se han establecido nuevas técnicas de preparación de andamio de nanofibras electrospun 3D para enmendar los defectos inherentes que vienen con esteras de nanofibras 2D. Estas técnicas resultan en andamios 3D; sin embargo, ha limitado aplicabilidad debido a los métodos de producción que requieren de soluciones acuosas y procedimientos de la liofilización. Este proceso da como resultado la distribución aleatoria de las nanofibras sin organización restringida, grosor adecuado o porosidad deseada para proporcionar las señales de nanotopographic adecuados que son necesarias para la proliferación y migración celular. Estos factores dan como resultado en los andamios de nanofibras electrospun 3D anteriores que carecen de adecuada mímica de la vida los tejidos1,7,8,9.
Se han realizado más recientes intentos de desarrollar un andamio 3D, ampliado con mejor biomimética de matriz extracelular (ECM) con un tratamiento de solución acuosa de Sodio borohidruro (NaBH4) y moldes prediseñados para ayudar en mejor control de la forma de la que resulte del andamio7,8. Sin embargo, este método no es ideal ya que requiere el uso de soluciones acuosas, las reacciones químicas y la liofilización que puede interferir con polímeros y cualquier biomoléculas encapsuladas que son solubles en agua. Los aditivos utilizados también pueden causar efectos secundarios durante la regeneración de tejido8,9. El método de expansión de2 CO descrito en este artículo mucho reduce el tiempo de procesamiento, elimina la necesidad de soluciones acuosas y preserva la cantidad y funcionalidad de moléculas biológicamente activas en mayor medida que los anteriormente métodos establecidos9.
En estudios previos, antibióticos, plata, 1α, 25 dihidroxivitamina D3y péptido antimicrobiano LL-37 fueron cargados en los andamios de nanofibras individualmente y en combinación para investigar el potencial de estos andamios para liberar agentes más ayuda en la cicatrización de9,10,12,13. Con el fin de demostrar que este método de expansión de andamio de nanofibras, Coumarine 6, un colorante fluorescente, se cargarán en el andamio para demostrar el potencial de incrustación del andamio con varios compuestos deseados. Este método de fabricación de andamio de nanofibras ampliado junto con moléculas bioactivas encapsuladas tiene gran potencial en la regeneración de los tejidos, la cicatrización de heridas, la creación de modelos 3D del tejido y la entrega tópica de fármacos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Transformación de esteras de nanofibras electrospun 2D tradicional en andamios 3D ampliados fue investigado por CO2 despresurización. Nanofibras 2D tradicionales esteras son exitosamente ampliado vía subcritical CO2 líquido. Son los pasos críticos fabricar nanofibras 2D esteras bajo una condición optimizada y cortar las esteras sin deformar los bordes (por ej., usando afiladas tijeras quirúrgicas). Este CO2-nanofibras ampliado andamios tienen muchos benef…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por donaciones desde el Instituto Nacional de General médica ciencia (NIGMS) en el NIH (2P 20 GM103480-06 y 1R01GM123081 a losa), los fondos Fundación de investigación médica de Otis Glebe, NE LB606 y puesta en marcha de la Universidad de Nebraska Medical Centro.
Materials
| Polycaprolactone | Sigma-Aldrich | 440744 | |
| N,N-Dimethlyformamide | Fisher Chemical | D-199-1 | |
| Dichloromethane | Fisher Chemical | AC61093-1000 | |
| Coumarin 6 | Sigma-Aldrich | 546283 | |
| Rotating Steel Drum | customized | This serves as a collector during electrospinning. | |
| Syringe Pump | Fisher Scientific | 14-831-200 | Coaxial spinning requires two single syringe pumps. |
| Revolver | Lab Net International | H5600 | Adjustable lab rotator for mixing solutions |
| Hypodermic Needle (27G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26426 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| Hypodermic Needle (21G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26416 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| High Voltage DC Power Supply | Gamma High Voltage Research | ES30 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova 2300 | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Axio Imager 2 | |
| LL 37 ELISA Kit | Hycult Biotech | HK321-02 |
References
- Chen, S., et al. Recent advances in electrospun nanofibers for wound healing. Nanomedicine. 12 (11), 1335-1352 (2017).
- Khandalavala, K., Jiang, J., Shuler, F. D., Xie, J. Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization. Journal of Visualized Experiments. (98), e52626 (2015).
- Xie, J., Li, X., Xia, Y. Put electrospun nanofibers to work for biomedical research. Macromolecular Rapid Communication. 29 (22), 1775-1792 (2008).
- Xie, J., et al. Nanofiber membranes with controllable microwells and structural cues and their use in forming cell microarrays and neuronal networks. Small. 7 (3), 293-297 (2011).
- Xie, J., et al. Radially aligned, electrospun nanofibers as dural substitutes for wound closure and tissue regeneration applications. ACS. 4 (9), 5027-5036 (2010).
- Xie, J., et al. “Aligned-to-random” nanofiber scaffolds for mimicking the structure of the tendon-to-bone insertion site. Nanoscale. 2 (6), 923-926 (2010).
- Jiang, J., et al. Expanded 3D Nanofiber Scaffolds: Cell Penetration. Neovascularization, and Host Response. Advanced Healthcare Materials. 5 (23), 2993-3003 (2016).
- Jiang, J., et al. Expanding Two-Dimensional Electrospun Nanofiber Membranes in the Third Dimension by a Modified Gas-Foaming Technique. ACS Biomaterials Science & Engineering. 10 (1), 991-1001 (2015).
- Jiang, J., et al. CO2-expanded nanofiber scaffolds maintain activity of encapsulated bioactive materials and promote cellular infiltration and positive host response. Acta Biomaterialia. 68, 237-248 (2018).
- Chen, S., et al. Nanofiber-based sutures induce endogenous antimicrobial peptide. Nanomedicine. 12 (10), 2597-2609 (2017).
- Dhand, C., et al. Bio-inspired crosslinking and matrix-drug interactions for advanced wound dressings with long-term antimicrobial activity. Biomaterials. 138, 153-168 (2017).
- Jiang, J., et al. Local sustained delivery of 25-hydroxyvitamin D3 for production of antimicrobial peptides. Pharmaceutical Research. 32 (9), 2851-2862 (2015).
- Jiang, J., et al. 1α, 25-dihydroxyvitamin D3-eluting nanofibrous dressings induce endogenous antimicrobial peptide expression. Nanomedicine (Lond). 13 (12), 1417-1432 (2018).
- Ma, B., Xie, J., Jiang, J., Shuler, F. D., Bartlett, D. E. Rational design of nanofiber scaffolds for orthopedic tissue repair and regeneration. Nanomedicine. 8 (9), 1459-1481 (2013).
