Tredimensjonal Biomimetic Technology: Novel Biorubber Oppretter Defined mikro- og makroskala arkitektur i Kollagen Hydrogeler

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

Vev stillasene spille en avgjørende rolle i vev gjenfødelse prosessen. Den ideelle Stillaset må oppfylle flere krav som har riktig sammensetning, målrettet modulus, og veldefinerte arkitektoniske funksjoner. Biomaterialer som rekapitulere den indre arkitekturen i in vivo vev er avgjørende for å studere sykdommer, samt å legge til rette for regenerering av tapt og misformet bløtvev. En roman biofabrication teknikken ble utviklet som kombinerer state of the art bildebehandling, tredimensjonal (3D) utskrift, og selektiv enzymatisk aktivitet for å skape en ny generasjon av biomaterialer for forskning og klinisk anvendelse. Den utviklede materiale, Bovine Serum Albumin gummi, er reaksjonen injisert inn i en form som opprettholder spesifikke geometriske egenskaper. Denne offermaterialet tillater tilstrekkelig overføring av arkitektoniske funksjoner til en naturlig stillasmateriale. Prototypen består av en 3D kollagen stillas med 4 og 3 mm kanaler som ReprESENT en forgrenet arkitektur. Dette papiret fremhever bruken av denne biofabrication teknikk for generering av naturlige konstruksjoner. Denne protokollen benytter et dataassistert programvare (DAK) for å fremstille en fast form som vil bli injisert reaksjon med BSA gummi, etterfulgt av enzymatisk oppslutning av gummi, slik at dens arkitektoniske trekk i stillaset materiale.

Introduction

I tissue engineering feltet evnen til å dikte vev stillasene er avgjørende. En egnet vev stillas har en 3D-struktur, består av biokompatible materialer, og etterligner in vivo vev arkitektur for å lette celle og vev vekst og remodellering. Dette stillas må tillate transport av næringsstoffer og fjerning av avfall ^1-4. En av de viktigste hindringer i produksjonen av disse stillasene er evnen til å rekapitulere spesifikke geometriske egenskaper til et biokompatibelt materiale. Flere biofabrication teknikker har blitt rapportert til å styre de geometriske trekk ved disse stillasene, er eksempler electro ^5-8, oppløsningsmiddelstøping ^9, stereolitografi ^10, og 3D-utskrift ^11, blant andre. Disse teknikkene bommer i å gi en relativt enkel overføring av kontrollerbare interne og eksterne arkitektoniske funksjoner, er dyrt, er begrenset av sin oppløsning og trykkbarhet ( <em> f.eks dyse måler, materiell begrensning), eller krever post-fabrikasjon teknikker som krever en lang periode for å produsere levedyktige stillaser ^12.

I mange kommersielle fabrikasjon systemer, er opprettelsen av interne hulrom, kanaler og funksjoner oppnådd ved hjelp av sand eller andre egnede flyttbare eller offer materialer. Metall eller plastdelen er dannet rundt sandform, og når den er stivnet, blir sanden fjernet. På samme måte, den neste generasjonen av biomaterialer trenger biosand tilsvarende. Derfor ble BSA gummi utviklet som en erstatning for biosand. BSA gummi er et nylig utviklet materiale som består av bovint serumalbumin tverrbundet med glutaraldehyd. Det ultimate målet er å gjenskape spesielle arkitektoniske elementer inn i en biologisk nedbrytbar kollagen stillas. Karakteristikken av offer biorubber som opprettholder geometrisk nøyaktighet med formen av det opprinnelige vev er beskrevet.

<p class = "jove_content"> Flere kombinasjoner av BSA og glutaraldehyd konsentrasjoner ble testet ved hjelp av en rekke løsemidler. Dette materiale ble laget ved reaksjon mellom BSA og glutaraldehyd. BSA gummi kan være reaksjons injiseres i den intrikate geometrier av vevet formene. Tverrbundet BSA er trypsin labil og lett spaltet av enzymet ved mild pH- og temperaturbetingelser. Omvendt, intakt type I kollagen er meget motstandsdyktig overfor trypsin fordøyelse. Disse funksjonene er balanseført til selektivt fjerne BSA gummi forlater kollagen bak. Den nåværende arbeid besto av å bestemme den ideelle parametre som trengs for å få en labil mold som kan levere konkrete arkitektoniske funksjoner til en biokompatibel stillaset. De spesifikke funksjoner som ble undersøkt inkluderte blandbarheten, enzymoppslutning, lastbærende, og evne til å være reaksjons injisert inn i en negativ form. Kombinasjonen av 30% BSA og 3% glutaraldehyd oppfyller disse kravene. Denne protokollen gir nødvenAry retningslinjer for å opprette disse tredimensjonale stillaser. Prototypen består av en kollagen stillas som representerer en forgrenet arkitektur med en innstrømning og to utløpskanalen med diametre på 4- og 3 mm, respektivt. Denne teknikk har mulighet for å etterligne makro- og mikro-miljøer i vevet av interesse. Denne teknologien gir en levedyktig teknikk for å levere en bestemt geometrisk rikt å et biologisk nedbrytbart materiale i en relativt enkel og betimelig spørsmål med high fidelity, som kan være innstilt på å etterligne in vivo vev elastisitet og andre egenskaper av vevet av interesse.

Protocol

1. Bestem Andel Solids i Collagen Batch Pakk kollagen følge en tidligere utgitt prosedyre 13. Tine et minimum på 20 ml kollagen. Bestemme startprosentandelen av kollagenfaststoffer i batch for å manipulere den kollagen-konsentrasjonen i de dannede hydrogeler. Skjær tre stykker av aluminiumfolie (ca. 6 x 6 cm), og forme hver en som en panne ved hjelp av bunnen av et 25 ml begerglass. Spill vekten av hver pan. Tilsett en liten mengde av kollagen til hver panne og registrere den…

Representative Results

Resultatene viser at dette biofabrication teknikken er effektiv i å generere 3D stillaser som kan etterligne den romlige ordning sett i in vivo vev. De arkitektoniske elementene er viktige parametere for tissue engineering søknad, spiller en avgjørende rolle i in vivo celle interaksjon og funksjonalitet av vevet. Konsistensen og mixability av BSA gummi var en viktig parameter i å produsere en BSA…

Discussion

Biofabrication er en svært tverrfaglig felt der biologi og tekniske prinsipper flette å generere komplekse materialer som etterligner naturlig vev. For å oppnå dette, er det et behov for å utvikle teknikker som bruker informasjonen som er samlet fra in vivo vev, og oversette den til pt de vitro stillaset. På denne måten kan en plattform være konstruert som ligner de arkitektoniske, funksjonelle og mekaniske egenskaper av in vivo vev. Den optimale stillasmateriell må ha visse …

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