סינתזה של nanofiber קראטין מבוסס על הנדסה ביו רפואית
Summary
nanofibers electrospun יש שטח פנים גבוה יחס משקל, שלמות מכנים מעולה, ולתמוך גדילת תא תפוצה. יש nanofibers אלה מגוון רחב של יישומים ביו. כאן אנו לפברק nanofibers קרטין / PCL, באמצעות טכניקה electrospinning, ולאפיין את סיבי עבור יישומים אפשריים בהנדסת רקמות.
Abstract
Electrospinning, בגלל הרבגוניות ואת הפוטנציאל שלה עבור יישומים בתחומים שונים, נמצא בשימוש לעתים קרובות כדי לפברק nanofibers. הפקה של nanofibers הנקבובי אלה היא עניין רב בשל מאפיינים הייחודיים שלהם physiochemical. כאן נפרט על ייצור של קרטין המכיל פולי (ε-caprolactone) (PCL) nanofibers (כלומר, PCL / סיבים מרוכבים קרטין). קרטין נמס במים הופק הראשון שיער אדם מהול PCL ביחסים שונים. הפתרון מעורבב של PCL / קרטין הפך ממברנות nanofibrous באמצעות electrospinning תוכנן מעבדה להגדיר. מורפולוגיה סיבים תכונות מכניות של nanofiber השיג נצפו ונמדדו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בודק מתיחה. יתר על כן, נכסים פריקים והכימיים של nanofiber נחקרו על ידי FTIR. תמונות SEM הראו מורפולוגיה משטח אחידה עבור סיבי PCL / קרטין של קומפוזיציות שונות. אלה PCL / keratiסיבי n גם הראו תכונות מצוינות מכנות כגון נקודת מודולוס וכישלון של יאנג. תאים פיברובלסטים הצליחו לצרף מתרבים ובכך להוכיח כדאיות התא טוב. בהתבסס על מאפייני שנדונו לעיל, אנו יכולים לטעון בתוקף כי nanofibers מעורבב של פולימרים טבעיים וסינתטיים יכול לייצג פיתוח מעולה של חומרים מרוכבים, שניתן להשתמש בהם עבור יישומים ביו שונים.
Introduction
Electrospinning מוכרת כשיטה נפוצה להשגת nanofibers פולימר. הסיבים יכולים להיות מיוצרים על ננו ואת מאפייני הסיבים ניתנים להתאמה אישי 1. התפתחויות אלה ואת המאפיינים של nanofibers electrospun יכולים להיות מעניינות במיוחד עבור יישומים שלהם בהנדסה ביו-רפואי במיוחד בהנדסת רקמות. Nanofibers electrospun להחזיק דמיון לחומר הבין-תאי ובכך לקדם את הידבקות תאים, נדידה ושגשוגם 2. בשל הדמיון הזה לחומר הבין-תאי (ECM), ניתן להשתמש סיבי electrospun כחומריים לסייע הלבשת פצע, אספקת סמים, ועל רקמות הנדסה כגון כבד, עצם, לב, שריר 3.
מגוון של פולימרים שונים ממוצא הסינטטי וטבעי שמש ליצירת סיבי electrospun עבור יישומי הנדסה ביו שונה 4. לאחרונה יש כבר גדל בterest בפיתוח nanofibers מרוכבים על ידי ערבוב סינתטי 4 פולימרים טבעיים. בקומפוזיציות אלה המוצרים הסופיים בדרך כלל לרשת את חוזק המכנים הקשורים הפולימר הסינטטי תוך אימוץ רמזים ביולוגיים ומאפיינים מן הפולימר הטבעי.
בניסוי זה, PCL ו קרטין מוצגים כמו פולימרים סינתטיים וטבעיים לשמש לסינתזה של nanofiber מרוכבים. קראטין הוא פולימר טבעי שנמצא שיער, צמר ומסמרים. יש בו הרבה שאריות חומצת אמינו; עניין ראוי לציון הוא ציסטאין 4,5. באופן אידיאלי פולימר טבעי יהיה biorenewable, ביולוגי מתכלה. קראטין הוא בעל כל שלושת המאפיינים הללו תוך שיפור תא התפשטות מצורף אל biomaterials זה כבר שולבו ב 6.
Polycaprolactone (PCL) הוא פולימר resorbable, סינתטי שהיא משמעותיתהנדסת 4 רקמות. פולימר זה כבר שבח בעבר את היציבות מבנית המכאנית שלה, לעומת זאת, היא חסרה זיקת תא מניבה שיעור שפלה ממושכת. האופי ההידרופובי של PCL אחראי סביר על חוסר תא זיקה 7. עם זאת, PCL מפצה על מגבלותיו ידי להיות בליל מאוד עם פולימרים אחרים. צירוף PCL / קרטין צריך להדגים את התכונות המכאניות של PCL ולשלב את התכונות הביולוגיות של קרטין, מה שהופך אותו לבחירה אידיאלית עבור יישומים ביו שונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפקת קרטין מ שערת אדם הושגה בהצלחה. החומצה peracetic פעל כסוכן חמצון על שיער אדם, המאפשר קרטין להיעקר ידי טריס הבסיס. הפקת אבקת קראטין היה בקנה מידה קטן בשל העובדה שהדבר נעשה רק למטרות מחקר. הליך זה כבר הוקמה בשנת בתעשייה עבור ייצור בקנה מידה גדול. מטרת חילוץ קרטין בקנה המי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות הקרן הלאומית למדע דרך מרכז מחקר הנדסי Biomaterials מהפכה מתכתיים (ERC-0,812,348) וחינוך לתואר ראשון ננוטכנולוגיה (EEC 1,242,139) בבקשה שישתתף במימון.
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).
