Трехмерная Биомиметический Технология: Роман Biorubber Создает Определено микро- и макроуровне архитектур в коллагене гидрогелей
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
Тканевые каркасы играют решающую роль в процессе регенерации тканей. Идеальный каркас должен выполнить ряд требований, таких как наличие надлежащего состава, целевого модуля, и четко определенными архитектурными особенностями. Биоматериалы, которые воспроизводят внутреннюю архитектуру естественных тканей в жизненно важны для изучения заболеваний, а также для облегчения восстановления утерянных и искаженной мягких тканей. Новую технику biofabrication был разработан который сочетает современные изображения, трехмерной печати (3D), и селективной ферментативной активности создать новое поколение биоматериалов для исследований и клинического применения. Разработан материал, бычий сывороточный альбумин каучук, является реакция под давлением в литейную, которая поддерживает конкретные геометрические особенности. Это расходуемый материал позволяет надлежащей передаче архитектурных особенностей к естественному каркасный материал. Прототип состоит из 3D коллагеновой матрицей с 4 до 3 мм каналов, которые ReprESENT разветвленную архитектуру. Эта статья подчеркивает использование этой техники biofabrication для генерации природных конструкций. Этот протокол использует компьютерное программное обеспечение с (CAD), чтобы изготовить прочную форму, которая будет реакция вводили BSA каучука с последующим ферментативным расщеплением резины, оставляя его архитектурные особенности в пределах каркасной материала.
Introduction
В тканевой инженерии области возможность изготовления каркасов ткани является жизненно важным. Подходящий каркас ткань имеет 3D структуру, состоит из биосовместимых материалов, и имитирует в архитектуре ткани естественных способствовать росту и ремоделирования клеток и тканей. Это каркас должен позволять транспортировку питательных веществ и удаление отходов 1-4. Одним из главных препятствий в производстве этих каркасов является способность повторять конкретные геометрические особенности в биосовместимого материала. Несколько методов biofabrication сообщалось контролировать геометрические характеристики этих каркасов, примеры электроформования 5-8, растворитель литье 9, стереолитографии 10, и 3D-печати 11, среди других. Эти методы лишены в обеспечении относительно легко переносить контролируемых внутренних и внешних архитектурных особенностей, которые дорого, ограничиваются их разрешения и печатными ( <em> например, датчик форсунки, ограничение материал), или требует проведения пост-изготовление которых требует длительного периода времени, чтобы произвести жизнеспособные каркасов 12.
Во многих коммерческих системах изготовления, создание внутренних пустот, каналов и функций достигается применением песка или других подходящих съемных или жертвенные материалы. Металл или пластик часть формируется вокруг песчаной форме, и как только она затвердевает, песок удаляется. В той же манере, что следующее поколение биоматериалов нуждается в biosand эквивалент. Таким образом, резиновое БСА был разработан в качестве замены для biosand. Резины БСА является недавно сформулированы материал, который состоит из бычьего сывороточного альбумина, сшитой с помощью глутаральдегида. Конечной целью является воссоздание конкретных архитектурных особенностей в биоразлагаемых коллагеновой матрицей. Характеристики жертвенного biorubber который поддерживает и размерную точность с плесенью исходного ткани описаны.
<p clосел = "jove_content"> Несколько комбинации BSA и глутарового альдегида концентрациях тестировали с использованием различных растворителей. Этот материал был создан в результате реакции между BSA и глутаральдегид. BSA резина может быть реакцией вводят в запутанных геометрий форм тканей. Сшитый БСА трипсином лабильны и легко переваривается под действием фермента при умеренных рН и температурных условий. И наоборот, нетронутыми тип коллагена очень устойчив к трипсина пищеварения. Эти особенности были капитализированы выборочно удалить BSA резину, оставляя коллаген позади. Настоящая работа состояла в определении идеальные параметры, необходимые для получения лабильный плесени, которые могут доставить определенные архитектурные особенности к биосовместимого эшафот. Конкретные особенности, которые были оценены включены смешиванию, ферментативного расщепления, несущую нагрузку, и способность быть реакция впрыскивается в негативной форме. Сочетание 30% BSA и 3% глутаральдегида отвечает этим требованиям. Этот протокол обеспечивает necessичных руководящих принципов, чтобы создать эти трехмерные каркасы. Прототип состоит из коллагеновой матрицей, которая представляет собой разветвленную архитектуру с одним притоком и два выпускной канал с диаметром 4- и 3-мм соответственно. Этот метод имеет потенциал, чтобы имитировать макро- и микро-сред интересующей ткани. Эта технология обеспечивает жизнеспособную методику для доставки конкретного геометрическую полезно биоразлагаемого материала в относительно легкой и своевременное дело с высокой точностью, которая может быть настроен, чтобы имитировать виво эластичность тканей в и другие характеристики интересующей ткани.Protocol
Representative Results
Discussion
Biofabrication является весьма междисциплинарной областью, в которой биологии и инженерных принципов слияния для создания сложных материалов, которые имитируют родной ткани. Для того чтобы добиться этого, существует потребность в разработке методов, которые используют информацию, собранну…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by NIH-NIDCR IRO1DE019355 (MJ Yost, PI), and NSF-EPSCoR (EPS-0903795).
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 |
References
- Kundu, J., Pati, F., Hun Jeong, Y., Cho, D. W., Cho, D. W., Forgacs, G. a. b. o. r., Sun, W. e. i. . Biofabrication. , 23-46 (2013).
- Vats, A., Tolley, N. S., Polak, J. M., Gough, J. E. Scaffolds and biomaterials for tissue engineering: a review of clinical applications. Clin. Otolaryngol. 28, 165-172 (2003).
- Chan, B. P., Leong, K. W. Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. Eur Spine J. 17, s467-s479 (2008).
- Salerno, A., Di Maio, E., Iannace, S., Netti, P. A. Tailoring the pore structure of PCL scaffolds for tissue engineering prepared via gas foaming of multi-phase blends. J. Porous Mater. 19, 181-188 (2011).
- Hasan, A., et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta Biomater. 10, 11-25 (2014).
- 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, 2223-2253 (2003).
- Sell, S. A., McClure, M. J., Garg, K., Wolfe, P. S., Bowlin, G. L. Electrospinning of collagen/biopolymers for regenerative medicine and cardiovascular tissue engineering. Adv. Drug. Deliv. Rev. 61, 1007-1019 (2009).
- Zheng, W., Zhang, W., Jiang, X. Biomimetic Collagen Nanofibrous Materials for Bone Tissue Engineering. Adv. Eng. Mater. 12, B451-B466 (2010).
- Cao, H., Kuboyama, N. A biodegradable porous composite scaffold of PGA/beta-TCP for bone tissue engineering. Bone. 46, 386-395 (2010).
- Ankam, S., et al. Substrate topography and size determine the fate of human embryonic stem cells to neuronal or glial lineage. Acta Biomater. 9, 4535-4545 (2013).
- Bose, S., Vahabzadeh, S., Bandyopadhyay, A. Bone tissue engineering using 3D printing. Mater. Today. 16, 496-504 (2013).
- Billiet, T., Vandenhaute, M., Schelfhout, J., Van Vlierberghe, S., Dubruel, P. A review of trends and limitations in hydrogel-rapid prototyping for tissue engineering. Biomaterials. 33, 6020-6041 (2012).
- Yost, M. J., et al. A novel tubular scaffold for cardiovascular tissue engineering. Tissue Eng. 10, 273-284 (2004).
- Habeeb, A. J., Hiramoto, R. Reaction of proteins with glutaraldehyde. Arch Biochem Biophys. 126, 16-26 (1968).
- Tanford, C., Buzzell, J. G. The Viscosity of Aqueous Solutions of Bovine Serum Albumin between pH 4.3 and 10.5. J. Phys. Chem. 60, 225-231 (1956).
- Yadav, S., Shire, S. J., Kalonia, D. S. Viscosity analysis of high concentration bovine serum albumin aqueous solutions. Pharm Res. 28, 1973-1983 (2011).
- Tobitani, A., Ross-Murphy, S. B. The intrinsic viscosity of polyelectrolytes revisited. Polym. Int. 44, 338-347 (1997).
- Arakawa, T., Timasheff, S. N. Theory of protein solubility. Methods Enzymol. 114, 49-77 (1985).
- Migneault, I., Dartiguenave, C., Bertrand, M. J., Waldron, K. C. Glutaraldehyde: behavior in aqueous solution, reaction with proteins, and application to enzyme crosslinking. Biotechniques. 37, 790-796 (2004).
- Burmeister, J. J., et al. Glutaraldehyde cross-linked glutamate oxidase coated microelectrode arrays: selectivity and resting levels of glutamate in the CNS. ACS Chem Neurosci. 4, 721-728 (2013).
- Chatterji, P. R. Gelatin with hydrophilic/hydrophobic grafts and glutaraldehyde crosslinks. J. Appl. Polym. Sci. 37, 2203-2212 (1989).
- Freije, J. R., et al. Chemically modified, immobilized trypsin reactor with improved digestion efficiency. J Proteome Res. 4, 1805-1813 (2005).
- Cunha-Filho, M. S., Alvarez-Lorenzo, C., Martinez-Pacheco, R., Landin, M. Temperature-sensitive gels for intratumoral delivery of beta-lapachone: effect of cyclodextrins and ethanol. ScientificWorldJournal. 2012, 126723 (2012).
- Basak, R., Bandyopadhyay, R. Encapsulation of hydrophobic drugs in Pluronic F127 micelles: effects of drug hydrophobicity, solution temperature, and pH. Langmuir. 29, 4350-4356 (2013).
