توليف حيويا الكريستال السائل المرنة كسوات كما السقالات الخليوي لزراعات الخلايا 3D المكانية
Summary
تقدم هذه الدراسة منهجية لإعداد 3D، قابلة للتحلل، السقالات خلية تشبه الرغوة على أساس الجانب سلسلة اللدائن الكريستال السائل حيويا (LCEs). تبين التجارب المجهري متحد البؤر التي LCEs مثل رغوة تسمح لمرفق الخلية، والانتشار، والمحاذاة التلقائية للmyoblasts C2C12s.
Abstract
هنا، نقدم إعداد خطوة بخطوة ل3D، قابلة للتحلل، مثل رغوة خلية سقالة. والتي عبر ربط كتلة النجم المشارك البوليمرات يضم وحدات الكولسترول كمجموعات الجانبية سلسلة قلادة، مما أدى إلى smectic-A (SMA) اللدائن الكريستال السائل (LCEs) التي أعدت هذه السقالات. السقالات تشبه الرغوة، أعدت باستخدام قوالب معدنية، ميزة microchannels المترابطة، مما يجعلها مناسبة كما السقالات زراعة الخلايا 3D. الخصائص المشتركة للهيكل منتظم من رغوة المعادن ونتيجة المطاط الصناعي في سقالة خلية 3D تعزز العالي ليس فقط تكاثر الخلايا بالمقارنة مع الأفلام التقليدية التي يسهل اختراقها قالب، ولكن الإدارة أيضا أفضل من النقل الجماعي (أي المواد المغذية والغازات والنفايات ، وما إلى ذلك). طبيعة القالب المعدني تسمح للتلاعب السهل من الأشكال رغوة (أي، لفات أو الأفلام) ولإعداد السقالات أحجام المسام المختلفة للدراسات مختلفة من الخلايا مع الحفاظ على interconnecتيد طبيعة المسامية من القالب. عملية الحفر لا يؤثر على كيمياء اللدائن، والحفاظ على طبيعتها حيويا والقابلة للتحلل. وتبين لنا أن هذه LCEs smectic، عندما نمت لفترات زمنية واسعة، وتمكين دراسة بنيات الأنسجة ذات الصلة ومعقدة سريريا مع تعزيز نمو وانتشار الخلايا.
Introduction
وهناك العديد من الأمثلة من المواد الاصطناعية البيولوجية وحيويا لتطبيقها في دراسات الخلايا وتجديد الأنسجة التي تهدف إلى مرفق الخلية وانتشار 1، 2، 3، 4، 5. وكانت هناك أمثلة قليلة من المواد حيويا، والمعروفة باسم اللدائن الكريستال السائل (LCEs)، يمكن أن يستجيب للمؤثرات الخارجية مع متباين الخواص الجزيئية طلب 6 و 7. LCEs هي مواد المحفزات متجاوبة التي تجمع بين الخواص الميكانيكية ومرنة من اللدائن مع وظيفة البصرية وترتيب الجزيئية من البلورات السائلة 8 و 9. يمكن LCEs تجربة تغييرات في الشكل وتشوه الميكانيكية، وسلوك مرن، والخصائص البصرية ردا على STIM الخارجيةاولي (أي.، الحرارة، والإجهاد، والضوء، وما إلى ذلك) 10، 11، 12، 13، 14، 15، 16. وقد أظهرت دراسات سابقة أن البلورات السائلة (خطابات الاعتماد) يمكن الشعور نمو وتوجيه الخلايا 4، 17. ومن ثم من الممكن أن نفترض أن LCEs قد تكون مناسبة للتطبيقات البيولوجية والطبية ذات الصلة، بما في ذلك السقالات الخلية والمحاذاة. لقد ذكرت سابقا إعداد smectic الأفلام حيويا، قابلة للتحلل، ويلقي مصبوب، وLCEs رقيقة يضم "نوع السويسري الجبن" مورفولوجيا التي يسهل اختراقها 6، 18. ونحن على استعداد أيضا LCEs حيويا خيطي مع التشكل كروي كما السقالات لنمو الخلايا 19 <سوب>، 20. ويهدف عملنا في ضبط الخواص الميكانيكية للمواد بحيث تتطابق مع تلك الأنسجة من الفائدة 21. أيضا، وتركز هذه الدراسات على فهم التفاعلات المطاط الصناعي خلايا، فضلا عن الاستجابة الخلوية عندما اللدائن تخضع للمؤثرات الخارجية.
كانت التحديات الرئيسية في جزء منه إلى تكييف المسامية من LCEs للسماح لمرفق الخلية وتخلل من خلال مصفوفة المطاط الصناعي والنقل الجماعي أفضل. مسامية من هذه الأفلام رقيقة 6 سمحت تخلل الخلية من خلال الجزء الأكبر من المصفوفة، ولكن لم تكن كل المسام مترابطة كليا أو كان حجم أكثر انتظاما (متجانسة) المسام. نحن بعد ذلك تقريرا عن حيويا اللدائن LCE خيطي مع الأشكال التضاريسية الكروية. هذه اللدائن خيطي سمحت للمرفق وتكاثر الخلايا، ولكن تراوح حجم المسام فقط 10-30 ميكرومتر، والتي منعت أو استخدام هذه محدودةاللدائن مع مجموعة متنوعة من خطوط الخلايا 19 و 20.
الأعمال السابقة التي الكونغ آخرون. المتعلقة بتشكيل الرغاوي الجرافين باستخدام "الأضاحي" قالب معدني أظهرت أن رغوة الجرافين التي تم الحصول عليها كان لها التشكل التي يسهل اختراقها العادية جدا التي يمليها قالب معدني اختيار 22. تقدم هذه المنهجية السيطرة الكاملة على المسامية وحجم المسام. في الوقت نفسه، على تطويع والمرونة من القالب المعدني تسمح لتشكيل قالب مختلف الأشكال قبل إعداد الرغوة. تقنيات أخرى، مثل الرشح المواد 23، النموذجيه الغاز 24، أو ألياف نسج الكهربائية 25 و 26 كما تقدم إمكانية إعداد المواد المسامية، لكنها أكثر استهلاكا للوقت، وفي بعض الحالات، يقتصر حجم المسام ل فقط عدد قليل من ميكرومتر. رغوةتشبه LCEs 3D أعدت باستخدام قوالب معدنية تسمح لتحميل خلية العالي؛ تحسين معدل انتشار. شارك في زراعة؛ وأخيرا وليس آخرا، وتحسين إدارة النقل الجماعي (أي المواد الغذائية، والغازات، والنفايات) لضمان تنمية الأنسجة الكاملة 27. تظهر مثل رغوة LCEs 3D أيضا إلى تحسين المواءمة الخلية؛ وهذا هو الأرجح فيما يتعلق المعلقات LC الاستشعار عن نمو الخلايا والتوجه الخلية. وجود الأنصاف LC داخل LCE يبدو لتعزيز التوافق خلية فيما يتعلق موقع خلية داخل سقالة LCE. خلايا محاذاة داخل الدعامات من LCE، في حين لوحظ أي اتجاه واضح حيث تنضم الدعامات معا (تقاطعات) 27.
وعموما، لدينا LCE منصة خلية سقالة كوسيلة دعم الخلية تتيح فرصا لضبط التشكل المطاط الصناعي وخصائص المرونة وتحديدا توجيه محاذاة (الفرد) أنواع الخلايا لخلق أمر والترتيبات المكانية سخلايا مماثلة لو المنظومات الحية. وبصرف النظر عن تقديم سقالة قادرة على الحفاظ وتوجيه نمو الخلايا على المدى الطويل وانتشار، LCEs تسمح أيضا للتجارب الحيوية، حيث يمكن تعديل توجيه الخلايا والتفاعلات على الطاير.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد تم مؤخرا دراسة اللدائن البلورية السائلة كما السقالات خلية حيويا بسبب استجابتها المحفزات. وقد ثبت أنها تكون منصات مثالية كما السقالات الخلية. ومع ذلك، عامل مهم أن نأخذ في الاعتبار عند إعداد وتصميم سقالة LCE جديدة غير المسامية. إدراج المواد الصلبة القابلة للترشح <sup …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر جامعة كينت ستيت (تعاوني منحة بحثية ودعم مبادرة لطب التجديدي في ولاية كينت – ReMedIKS) للدعم المالي من هذا المشروع.
Materials
| 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane | Alfa Aesar | L16606 | Silanizing agent |
| 2-bis(4-hydroxy-cyclohexyl)propane | TCI | B0928 | Reagent |
| 2-chlorohexanone | Alfa Aesar | A18613 | Reagent |
| 2-heptanone | Sigma Aldrich | W254401 | Solvent |
| 2-propanol | Sigma Aldrich | 278475 | Solvent |
| 3-chloroperbenzoic acid, m-CPBA | Sigma Aldrich | 273031 | Reagent |
| 4-dimethylaminopyridine | Alfa Aesar | A13016 | Reagent |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole, DAPI | Invitrogen | D1306 | Nuclear Stain |
| 5-hexynoic acid | Alfa Aesar | B25132-06 | Reagent |
| Acetic acid | VWR | 36289 | Solvent |
| Acetone | Sigma Aldrich | 34850 | Solvent |
| Alcohol 200 proof ACS Grade | VWR | 71001-866 | Reagent |
| Benzene | Alfa Aesar | AA33290 | Solvent |
| ε-caprolactone | Alfa Aesar | A10299-0E | Reagent |
| Chloroform | VWR | BDH1109 | Solvent |
| Cholesterol | Sigma Aldrich | C8503 | Reagent |
| Chromium(VI) oxide | Sigma Aldrich | 232653 | Reagent |
| Copper (I) iodide | Strem Chemicals | 100211-060 | Reagent |
| D,L-Lactide | Alfa Aesar | L09026 | Reagent |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 320269 | Solvent |
| Diethyl ether | Emd Millipore | EX0190 | Solvent |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma Aldrich | 270547 | Solvent |
| Dulbecco’s modified Eagle medium, DEME | CORNING Cellgo | 10-013 | Cell Media |
| Ethanol | Alfa Aesar | 33361 | Solvent |
| Formaldehyde | SIGMA Life Science | F8775 | Fixative |
| Fetal bovine serum, FBS | HyClone | SH30071.01 | Media Component |
| Filter paper, Grade 415, qualitative, crepe | VWR | 28320 | Filtration |
| Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | Central node (3-arm) |
| Hexamethylene diisocyanate, HDI | Sigma Aldrich | 52649 | Crosslinker |
| Iron(III) chloride | Alfa Aesar | 12357 | Etching agent |
| Isopropyl alcohol | VWR | BDH1133 | Solvent |
| Methanol | Alfa Aesar | L13255 | Solvent |
| N,N'-dicyclohexylcarbodiimide | Aldrich | D80002 | Solvent |
| N,N-Dimethylformamide | Sigma Aldrich | 270547 | Solvent |
| Nickel metal template | American Elements | Ni-860 | Foam template |
| Neuroblastomas cells (SH-SY5Y) | ATCC | CRL-2266 | Cell line |
| Penicillin streptomycin | Thermo SCIENTIFIC | 15140122 | Antibiotics |
| Polyethylene glycol 2000, PEG | Alfa Aesar | B22181 | Reagent |
| Sodium azide | VWR | 97064-646 | Reagent |
| Sodium bicarbonate | AMRESCO | 865 | Drying salt |
| Sodium chloride | BDH | BDH9286 | Drying salt |
| Sodium phosphate dibasic heptahydrate | Fisher Scientific | S-374 | Drying salt |
| Sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma Aldrich | S9638 | Drying salt |
| Sodium sulfate | Sigma Aldrich | 239313 | Drying salt |
| Tetrahydrofuran | Alfa Aesar | 41819 | Solvent |
| Thiosulfate de sodium | AMRESCO | 393 | Drying salt |
| Tin(II) 2-ethylhexanoate | Aldrich | S3252 | Reagent |
| Toluene | Alfa Aesar | 22903 | Solvent |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | 471283 | Reagent |
| Trypsin | HyClone | SH30042.01 | Cell Detachment |
| Olympus FV1000 |
Referências
- Khor, E., Lim, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials. 24 (13), 2339-2349 (2003).
- Chung, H. J., Park, T. G. Surface engineered and drug releasing pre-fabricated scaffolds for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 59 (4-5), 249-262 (2007).
- Yakacki, C. M., Gall, K. Shape-Memory Polymers for Biomedical Applications. Shape-Memory Polymers. 226, 147-175 (2010).
- Agrawal, A., et al. Stimuli-responsive liquid crystal elastomers for dynamic cell culture. J. of Mat. Res. 30 (4), 453-462 (2015).
- Agrawal, A., Yun, T. H., Pesek, S. L., Chapman, W. G., Verduzco, R. Shape-responsive liquid crystal elastomer bilayers. Soft Matter. 10 (9), 1411-1415 (2014).
- Sharma, A., et al. Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures. Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).
- Yakacki, C. M., et al. Tailorable and programmable liquid-crystalline elastomers using a two-stage thiol-acrylate reaction. RSC Adv. 5 (25), 18997-19001 (2015).
- deGennes, P. G., Hebert, M., Kant, R. Artificial muscles based on nematic gels. Macromolecular Symposia. 113, 39-49 (1997).
- Fleischmann, E. -. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (34), 8810-8827 (2013).
- Finkelmann, H., Kim, S. T., Munoz, A., Palffy-Muhoray, P., Taheri, B. Tunable mirrorless lasing in cholesteric liquid crystalline elastomers. Adv. Mater. 13 (14), 1069-1072 (2001).
- Artal, C., et al. SHG characterization of different polar materials obtained by in situ photopolymerization. Macromolecules. 34 (12), 4244-4255 (2001).
- Camacho-Lopez, M., Finkelmann, H., Palffy-Muhoray, P., Shelley, M. Fast liquid-crystal elastomer swims into the dark. Nat. Mater. 3 (5), 307-310 (2004).
- Yamada, M., et al. Photomobile polymer materials: Towards light-driven plastic motors. Angew. Chem. Int. Ed. 47 (27), 4986-4988 (2008).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
- Fleischmann, E. -. K., et al. One-piece micropumps from liquid crystalline core-shell particles. Nat. Commun. 3, (2012).
- Herzer, N., et al. Printable Optical Sensors Based on H-Bonded Supramolecular Cholesteric Liquid Crystal Networks. J. Am. Chem. Soc. 134 (18), 7608-7611 (2012).
- Lockwood, N. A., et al. Thermotropic liquid crystals as substrates for imaging the reorganization of matrigel by human embryonic stem cells. Adv. Funct. Mater. 16 (5), 618-624 (2006).
- Sharma, A., et al. Effects of structural variations on the cellular response and mechanical properties of biocompatible, biodegradable, and porous smectic liquid crystal elastomers. Macromol. Biosci. , (2016).
- Bera, T., et al. Liquid Crystal Elastomer Microspheres as Three-Dimensional Cell Scaffolds Supporting the Attachment and Proliferation of Myoblasts. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (26), 14528-14535 (2015).
- Bera, T., Malcuit, C., Clements, R. J., Hegmann, E. Role of Surfactant during Microemulsion Photopolymerization for the Creation of Three-Dimensional Liquid Crystal Elastomer Microsphere Spatial Cell Scaffolds. Front. Mater. 3 (31), (2016).
- McKee, C. T., Last, J. A., Russell, P., Murphy, C. J. Indentation Versus Tensile Measurements of Young’s Modulus for Soft Biological Tissues. Tissue Eng. Part B Rev. 17 (3), 155-164 (2011).
- Kung, C. -. C., et al. Preparation and characterization of three dimensional graphene foam supported platinum-ruthenium bimetallic nanocatalysts for hydrogen peroxide based electrochemical biosensors. Biosens. Bioelectron. 52, 1-7 (2014).
- Amsden, B. Curable, biodegradable elastomers: emerging biomaterials for drug delivery and tissue engineering. Soft Matter. 3 (11), 1335-1348 (2007).
- Sinturel, C., Vayer, M., Morris, M., Hillmyer, M. A. Solvent Vapor Annealing of Block Polymer Thin Films. Macromolecules. 46 (14), 5399-5415 (2013).
- Riboldi, S. A., et al. Skeletal myogenesis on highly orientated microfibrous polyesterurethane scaffolds. J. Biomed. Mater. Res. A. 84 (4), 1094-1101 (2008).
- Chung, S., Moghe, A. K., Montero, G. A., Kim, S. H., King, M. W. Nanofibrous scaffolds electrospun from elastomeric biodegradable poly(L-lactide-co-epsilon-caprolactone) copolymer. Biomed. Mater. 4 (1), 9 (2009).
- Gao, Y. X., et al. Biocompatible 3D Liquid Crystal Elastomer Cell Scaffolds and Foams with Primary and Secondary Porous Architecture. ACS Macro Lett. 5 (1), 14-19 (2016).
- Lenoir, S., et al. Ring-opening polymerization of alpha-chloro-is an element of-caprolactone and chemical modification of poly(alpha-chloro-is an element of-caprolactone) by atom transfer radical processes. Macromolecules. 37 (11), 4055-4061 (2004).
- Younes, H. M., Bravo-Grimaldo, E., Amsden, B. G. Synthesis, characterization and in vitro degradation of a biodegradable elastomer. Biomaterials. 25 (22), 5261-5269 (2004).
- Donaldson, T., Henderson, P. A., Achard, M. F., Imrie, C. T. Chiral liquid crystal tetramers. J. Mater. Chem. 21 (29), 10935-10941 (2011).
- Palmgren, R., Karlsson, S., Albertsson, A. C. Synthesis of degradable crosslinked polymers based on 1,5-dioxepan-2-one and crosslinker of bis-epsilon-caprolactone type. J. Pol. Sci. A Polym. Chem. 35 (9), 1635-1649 (1997).
