Syntese af Keratin-baserede Nanofiber for Biomedical Engineering

Summary

Elektrospundet nanofibers har et højt overfladeareal i forhold til vægten, fremragende mekanisk integritet, og støtte cellevækst og proliferation. Disse nanofibers har en bred vifte af biomedicinske anvendelser. Her fabrikere vi keratin / PCL nanofibre, ved hjælp af elektrospinningsteknik, og karakterisere fibrene for mulige anvendelser i tissue engineering.

Abstract

Elektrospinning, på grund af sin alsidighed og potentielle anvendelser på forskellige områder, bliver ofte anvendt til at fabrikere nanofibre. Produktion af disse porøse nanofibre er af stor interesse på grund af deres unikke fysisk-kemiske egenskaber. Her uddybe vi på fremstillingen af keratin indeholdende poly (ε-caprolacton) (PCL) nanofibre (dvs. PCL / keratin sammensatte fiber). Vandopløselig keratin blev først ekstraheret fra menneskehår og blandes med PCL i forskellige forhold. Den blandede opløsning af PCL / keratin blev transformeret ind nanofibrous membraner ved anvendelse et laboratorium designet elektrospinning oprettet. Fiber morfologi og mekaniske egenskaber af det opnåede nanofiber blev observeret og målt ved anvendelse af scanningselektronmikroskopi og trækprøveapparat. Endvidere blev nedbrydelighed og kemiske egenskaber af nanofiber undersøgt ved FTIR. SEM billeder viste ensartet overflade morfologi for PCL / keratin fibre af forskellige sammensætninger. Disse PCL / keratin fibre viste også fremragende mekaniske egenskaber, såsom Youngs modul og svigt. Fibroblastceller kunne bindes og opformeres hvilket beviser god cellelevedygtighed. Baseret på de karakteristika som beskrevet ovenfor, kan vi kraftigt argumentere for, at de blandede nanofibre af naturlige og syntetiske polymerer kan repræsentere en fremragende udvikling af kompositmaterialer, der kan anvendes til forskellige biomedicinske anvendelser.

Introduction

Elektrospinning er anerkendt som en fremherskende metode til at opnå polymernanofibrene. Fibrene kan produceres på nanoskala og fiber egenskaber kan tilpasses ^en. Denne udvikling og de særlige kendetegn ved elektrospundne nanofibre har været særlig interessant for deres ansøgninger i medicoteknik især i tissue engineering. De elektrospundne nanofibers besidder ligheder med den ekstracellulære matrix og således fremme celleadhæsion, migrering og proliferation ^2. På grund af denne lighed til den ekstracellulære matrix (ECM), kan elektrospundne fibre anvendes som materialer til at hjælpe med sårbandage, drug delivery, og til tekniske væv, såsom lever, knogler, hjerte og muskel ^3.

En række forskellige polymerer af syntetisk og naturlig oprindelse er blevet brugt til at skabe elektrospundne fibre til forskellige biomedicinske tekniske formål ^4. For nylig har der været stigende iinteresse for udviklingen af sammensatte nanofibre ved at blande syntetiske og naturlige polymerer ^4. I disse sammensætninger slutprodukterne typisk arver den mekaniske styrke af den syntetiske polymer samtidig vedtagelse biologiske signaler og egenskaber fra den naturlige polymer.

I dette forsøg er PCL og keratin præsenteret som de syntetiske og naturlige polymerer, der skal anvendes til syntesen af ​​en sammensat nanofiber. Keratin er en naturlig polymer, der findes i hår, uld og negle. Den indeholder mange aminosyrerester; af bemærkelsesværdige interesse er cystein ^4,5. Ideelt en naturligt forekommende polymer ville være biorenewable, biokompatible og biologisk nedbrydeligt. Keratin besidder alle tre af disse egenskaber samtidig øge celledeling og tilknytning til de biomaterialer er blevet indarbejdet i ^seks.

Polycaprolacton (PCL) er en resorberbar, syntetisk polymer, der er betydelig itissue engineering ^4. Denne polymer er tidligere blevet rost for dets strukturelle og mekaniske stabilitet, mangler imidlertid den celle affinitet og udviser en langvarig nedbrydningshastighed. Den hydrofobe karakter af PCL er sandsynligvis ansvarlig for den manglende celle affinitet ^7. Imidlertid PCL gør for sine begrænsninger ved at være yderst blandbar med andre polymerer. En PCL / keratin komposit skal demonstrere de mekaniske egenskaber af PCL og indarbejde de biologiske egenskaber af keratin, hvilket gør det til et ideelt valg til forskellige biomedicinske anvendelser.

Protocol

Alle protokol følger retningslinjerne fra North Carolina A & T State University Office of Research Compliance og Etik. 1. Kemisk Forberedelse til Keratin Extraction 4 Til fremstilling 1.000 ml 2% vægt / volumen pereddikesyre opløsning (PAS), under en emhætte tilsættes 20 ml pereddikesyre til 980 ml deioniseret (DI) vand. Til fremstilling 1000 ml 100 mM Tris-base opløsning (TBS), der tilsættes 12,2 g Tris-base til 1.000 ml DI-vand og omrøres indtil fuldstændig opløsni…

Representative Results

fiber Morfologi SEM billeder af fibrene blev opnået for alle fibersammensætninger. Se figur 3. Fiber billede bekræfter, at fibrene tilfældigt orienteret. Mekanisk testning Mekanisk stærke fibre er generelt påkrævet for forskellige vævsdyrkningsapplikationer. Disse fibre bør bevare tilstrækkelig styrke og fleksibilitet under visse stress og milj…

Discussion

Ekstraktion af keratin fra menneskehår blev succes opnået. Den pereddikesyre fungerede som et oxidationsmiddel på menneskehår, hvilket tillader keratin, der skal ekstraheres ved Tris Base. Produktionen af ​​keratin pulver var lille målestok på grund af det faktum, at det kun blev gjort til forskningsformål. Denne procedure er allerede etableret i industrien til produktion i stor målestok. Formålet med at udtrække den lille skala keratin var at kontrollere forurening, batch variation, og omkostningseffektiv…

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