Syntes av keratin-baserad nanofiber för medicinsk teknik
Summary
Elektrospunna nanofibrer har en hög ytarea i förhållande till vikten, utmärkt mekanisk integritet, och stödja celltillväxt och proliferation. Dessa Nanofiber har ett brett utbud av biomedicinska tillämpningar. Här fabricera vi keratin / PCL Nanofiber med hjälp av elektrospinning teknik och karakterisera fibrer för möjliga tillämpningar inom tissue engineering.
Abstract
Electro, på grund av dess mångsidighet och möjligheter för tillämpningar inom olika områden, används ofta för att tillverka nanofibrer. Produktionen av dessa porösa Nanofiber är av stort intresse på grund av deras unika fysikalisk-kemiska egenskaper. Här har vi närmare in på tillverkning av keratin som innehåller poly (ε-kaprolakton) (PCL) nanofibrer (dvs PCL / keratin komposit fiber). Vattenlösliga keratin extraherades först av människohår och blandas med PCL i olika förhållanden. Den blandade lösningen av PCL / keratin förvandlades till nanofibrous membran med hjälp av ett laboratorium utformad elektrospinning inrättas. Fiber morfologi och mekaniska egenskaperna hos den erhållna nanofiber observerades och mättes med användning av svepelektronmikroskopi och dragprovare. Dessutom var nedbrytbarhet och kemiska egenskaperna hos den nanofiber studeras med FTIR. SEM bilder visade enhetlig yta morfologi för PCL / keratinfibrer med olika sammansättningar. Dessa PCL / keratin fibrer uppvisade också utmärkta mekaniska egenskaper såsom Youngs modul och misslyckande punkt. Fibroblastceller kunde fästa och föröka sig som styrker god cellviabilitet. Baserat på de egenskaper som diskuterats ovan, kan vi starkt hävda att de blandade Nanofiber av naturliga och syntetiska polymerer kan representera en utmärkt utveckling av kompositmaterial som kan användas för olika biomedicinska tillämpningar.
Introduction
Electro redovisas som en förhärskande metod för att uppnå polymernanofibrer. Fibrerna kan framställas på en nanoskala och de fiber egenskaper är anpassade 1. Denna utveckling och egenskaperna hos elektrospunna Nanofiber har varit särskilt intressant för sina tillämpningar inom medicinsk teknik, särskilt i vävnadsteknik. De elektrospunna Nanofiber har likheter med den extracellulära matrisen och därmed främja celladhesion, migrering och proliferation två. På grund av denna likhet till den extracellulära matrisen (ECM), kan elektrospunna fibrer användas som material för att hjälpa till sårförband, läkemedelstillförsel, och för tekniska vävnader såsom lever, ben, hjärta och muskel 3.
En mängd olika polymerer av syntetiskt och naturligt ursprung har använts för att skapa elektrospunna fibrer för olika biomedicinska tekniska tillämpningar 4. Nyligen har ökat itresse i utvecklingen av kompositnanofibrer genom blandning av syntetiska och naturliga polymerer 4. I dessa kompositioner de slutliga produkterna ärver vanligtvis den mekaniska hållfastheten associerade med den syntetiska polymeren samtidigt anta biologiska signaler och egenskaper från den naturliga polymeren.
I detta experiment, PCL och keratin presenteras som de syntetiska och naturliga polymerer som skall användas för syntesen av en kompositnanofiber. Keratin är en naturlig polymer som finns i hår, ull och naglar. Det innehåller många aminosyrarester; av noterbar intresse är cystein 4,5. Helst ett naturligt förekommande polymer skulle vara biorenewable, biokompatibel och biologiskt nedbrytbar. Keratin besitter alla tre av dessa egenskaper samtidigt öka celltillväxt och fastsättning biomaterial har införlivats i sex.
Polykaprolakton (PCL) är ett resorberbart, syntetisk polymer som är betydande ivävnadsteknik 4. Denna polymer har tidigare hyllats för dess strukturella och mekanisk stabilitet, men saknar det cell affinitet och uppvisar en lång nedbrytningshastighet. Den hydrofoba naturen hos PCL är sannolikt ansvarig för bristen på cellaffinitet 7. Men gör PCL upp för sina begränsningar genom att vara mycket blandbar med andra polymerer. En PCL / keratin komposit bör visa de mekaniska egenskaperna hos PCL och införliva de biologiska egenskaperna av keratin, vilket gör det till ett idealiskt val för olika biomedicinska tillämpningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utvinning av keratin av människohår uppnåddes framgångsrikt. Perättiksyran agerade som ett oxidationsmedel på människohår, vilket gör att keratin som skall extraheras av Tris Base. Produktionen av keratin pulver var liten skala beroende på det faktum att det bara var gjort för forskningsändamål. Detta förfarande har redan fastställts inom industrin för storskalig produktion. Syftet att utvinna den småskaliga keratin var att kontrollera föroreningar, batch variation och kostnadseffektivitet.
<p clas…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka National Science Foundation genom Engineering Research Center för att revolutionera Metallic biomaterial (ERC-0.812.348) och nanoteknik Grundutbildning (EEG 1.242.139) för att finansiera stöd.
Materials
| Human Hair | N/A | N/A | Obtained from Local Barber Shop in Greensboro |
| Peracetic acid | Sigma Aldrich | N/A | |
| PCL (e-caprolactone polymer) | Sigma Aldrich | 502-44-3 | Mn 70-90 kDa |
| Trifluoroethanol (TFE) | Sigma Aldrich | 75-89-8 | |
| Tris Base (TrizmaTM Base Powder) | Sigma Aldrich | N/A | > 99.9% crystalline |
| Hydrochloric Acid | Fischer Scientific | A144C-212 Lot 093601 | Waltham, MA |
| Kwik-Sil | World Precision Instruments | N/A | Sarasota, FL |
| Cellulose membrane | Sigma Aldrich | N/A | 12-14 kDa molecular cutoff |
| optical microscope | Olympus BX51M | BX51M | Japan |
| scanning electron microscope | Hitachi SU8000 | SU8000 | Japan |
| Table-Top Shimadzu machine | North America Analytical and Measuring Instruments AGS-X series | AGS-X Series | Columbia, MD |
| Fourier transform infrared spectroscopy | Bruker Tensor 2 Instrument | N/A | Billerica, MA |
| Microcal Origin software | N/A | N/A | Northampton, MA |
| X-ray diffraction (XRD) | Bruker AXS D8 Advance X-ray Diffractometer | N/A | Madison, WI |
| Fibroblast 3T3 cell | American Tissue Type Culture Collection | N/A | Manassas, VA |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM | Invitrogen | N/A | Grand Island, NY |
| Spectra max Gemini XPS microplate reader | Molecular Devices | N/A | Sunnyvale, CA |
| Student- Newman-Keuls post hoc test | SigmaPlot 12 software | N/A | N/A |
References
- 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, (2003).
- Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K. Electrospun nanofibrous structure: a novel scaffold for tissue engineering. J Biomed Mater Res. 60, 613-621 (2002).
- Liu, W., Thomopoulos, S., Xia, Y. Electrospun nanofibers for regenerative medicine. Adv Healthc Mater. 1, 10-25 (2012).
- Edwards, A., Jarvis, D., Hopkins, T., Pixley, S., Bhattarai, N. Poly(-caprolactone)/keratin-based composite nanofibers for biomedical applications. J Biomed Mater Res B. 103, 21-30 (2015).
- Dowling, L. M., Crewther, W. G., Parry, D. A. Secondary structure of component 8c-1 of alpha-keratin. An analysis of the amino acid sequence. Biochem J. 236, 705-712 (1986).
- Yamauchi, K., Maniwa, M., Mori, T. Cultivation of fibroblast cells on keratin-coated substrata. J Biomat Sci-Polymer. 9, 259-270 (1998).
- Shea, L. D., Wang, D., Franceschi, R. T., Mooney, D. J. Engineered Bone Development from a Pre-Osteoblast Cell Line on Three-Dimensional Scaffolds. Tissue E. 6, 605-617 (2000).
- Fortin, M. -. J. New Biological Software. Q Rev Biol. 71, 169-170 (1996).
- Bhattarai, N., Edmondson, D., Veiseh, O., Matsen, F. A., Zhang, M. Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility. Biomaterials. 26, 6176-6184 (2005).
- Yang, S., Leong, K. F., Du, Z., Chua, C. K. The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional factors. Tissue E. 7, 679-689 (2001).
- Bhattarai, N., et al. Natural-Synthetic Polyblend Nanofibers for Biomedical Applications. Adv Mater. 21, 2792-2797 (2009).
