Dreidimensionale Biomimetic Technologie: Neuartige Biorubber Erzeugt definierte Mikro- und Makro-Skala Architekturen in Collagen Hydrogele
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
Gewebegerüste spielen eine entscheidende Rolle bei der Geweberegeneration Prozess. Das ideale Gerüst müssen mehrere Anforderungen erfüllen, wie beispielsweise mit richtigen Zusammensetzung, gezielte Modul und gut definierten architektonischen Besonderheiten. Biomaterials, dass die intrinsische Architektur der in vivo Gewebe sind von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung Erkrankungen sowie zur Erleichterung der Regeneration von verloren und fehlerhafte Weichgewebe rekapitulieren. Eine neuartige biofabrication Technik entwickelt, die Stand der Technik Bildgebung kombiniert, dreidimensionale (3D) Drucken und selektive enzymatische Aktivität eine neue Generation von Biomaterialien für die Forschung und klinische Anwendung zu erstellen. Das entwickelte Material, Rinderserumalbumin Gummi, ist die Reaktion in eine Form gespritzt, die bestimmte geometrische Merkmale bestätigt. Das Opfermaterial ermöglicht die ausreichende Übertragung von architektonischen Besonderheiten zu einem natürlichen Gerüstmaterial. Der Prototyp besteht aus einem 3D-Kollagen-Gerüst mit 4 und 3 mm Kanäle, die reprESENT eine verzweigte Architektur. Das Papier betont die Verwendung dieser biofabrication Technik für die Erzeugung von natürlichen Konstrukten. Dieses Protokoll nutzt eine computergestützte Software (CAD) eine feste Form zu fertigen, die Reaktion mit BSA Gummi, gefolgt von der enzymatischen Abbau des Kautschuks, so dass seine architektonischen Besonderheiten innerhalb der Gerüstmaterial eingespritzt wird.
Introduction
Im Engineering-Bereich Gewebe die Fähigkeit, Gewebegerüste herzustellen ist lebenswichtig. Ein geeignetes Gewebegerüst eine 3D-Struktur aufweist, wird aus biokompatiblen Materialien bestehen, und ahmt in vivo Gewebearchitektur Zell- und Gewebewachstum und Umbau zu erleichtern. Dieses Gerüst muß den Transport von Nährstoffen und die Entfernung von Abfällen 1-4 ermöglichen. Eines der Haupthindernisse für die Herstellung dieser Gerüste ist die Fähigkeit, bestimmte geometrische Merkmale in einem biokompatiblen Material zu rekapitulieren. Mehrere biofabrication Techniken, um die geometrischen Merkmale dieser Gerüste zur Steuerung gemeldet worden sind, werden Beispiele 5-8 Elektrospinnen, Lösungsmittelgießen 9, Stereolithographie 10 und 3D-Print 11, unter anderem. Diese Techniken fallen kurz in eine relativ einfache Übertragung von steuerbaren internen und externen architektonischen Besonderheiten bietet, sind teuer, zeichnen sich durch ihre Auflösung und Bedruckbarkeit begrenzt ( <em> zB Düsenmesser, Material Einschränkung) oder erfordern post-Herstellungstechniken, die eine lange Zeit lebensfähig Gerüste 12 zu produzieren erfordert.
In vielen kommerziellen Herstellungssysteme, die Schaffung von inneren Hohlräumen, Kanälen und Funktionen wird Sand oder anderen geeigneten abnehmbaren oder Opfermaterialien erreicht werden. Das Metall oder Kunststoffteil ist um die Sandform gebildet wird, und sobald es erstarrt ist, wird der Sand entfernt. In der gleichen Art und Weise, die nächste Generation von Biomaterialien braucht die BioSand gleichwertig. Daher wurde die BSA-Kautschuk als Ersatz für BioSand entwickelt. Die BSA-Kautschuk ist ein neu formulierten Material, das mit Glutaraldehyd vernetzt Rinderserumalbumin besteht. Das ultimative Ziel ist spezifisch architektonischen Besonderheiten in einem biologisch abbaubaren Kollagengerüst zu erstellen. Die Eigenschaften des Opfer biorubber, die mit der Form des ursprünglichen Gewebes Dimensionstreue hält beschrieben.
<p class = "jove_content"> Mehrere Kombinationen von BSA und Glutaraldehyd-Konzentrationen wurden unter Verwendung einer Vielzahl von Lösungsmitteln getestet. Dieses Material wurde durch die Reaktion zwischen BSA und Glutaraldehyd hergestellt. BSA-Kautschuk kann in die Reaktions komplizierten Geometrien der Formen Gewebe injiziert werden. Vernetzte BSA Trypsin labil und leicht durch das Enzym bei mildem pH und Temperaturbedingungen verdaut. Umgekehrt ich intakte Kollagen Typ ist sehr resistent gegen Trypsin Verdauung. Diese Funktionen werden aktiviert, um wahlweise die BSA Gummi entfernen Sie das Kollagen zu hinterlassen. In der vorliegenden Arbeit bestand darin, die optimalen Parameter zu bestimmen, benötigt eine labile Form zu erhalten, die spezifischen architektonischen Besonderheiten zu einem biokompatiblen Gerüst liefern kann. Die spezifischen Funktionen, die ausgewertet wurden eingeschlossen Mischbarkeit, Enzymverdauung, tragfähig und Fähigkeit Reaktion in eine Negativform eingespritzt werden. Die Kombination von 30% BSA und 3% Glutaraldehyd erfüllt diese Anforderungen. Dieses Protokoll stellt die necessary Richtlinien diese dreidimensionale Gerüste zu schaffen. Der Prototyp besteht aus einem Kollagengerüst, die mit einem Zulauf und zwei Ablaufkanal mit einem Durchmesser von 4- und 3-mm jeweils eine verzweigte Architektur darstellt. Dieses Verfahren hat das Potenzial, Makro- und Mikroumgebungen des Gewebes von Interesse nachahmen. Diese Technologie stellt eine lebensfähige Technik, um eine spezifische geometrische lehrreich zu einem biologisch abbaubaren Material in einer relativ einfach und zeitgerecht mit hoher Wiedergabetreue zu liefern, die abgestimmt werden kann, die in vivo Gewebeelastizität und andere Eigenschaften des Gewebes von Interesse nachahmen.Protocol
Representative Results
Discussion
Biofabrication ist ein sehr interdisziplinäres Feld, in dem Biologie und Konstruktionsprinzipien komplexen Materialien zu erzeugen, zusammenführen, die nativem Gewebe nachahmen. Um dies zu erreichen, besteht ein Bedarf, Techniken zu entwickeln, die die Information verwenden, um von in vivo Gewebe gesammelt und übersetzt es in ein in vitro-Gerüst. Auf diese Weise kann eine Plattform entwickelt werden, dass ähnelt die architektonischen, funktionalen und mechanischen Eigenschaften des in-vivo-Gew…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
