Expansie van twee-dimensie Electrospun Nanofiber matten in de steigers van de drie-dimensie
Summary
Dit artikel demonstreert de techniek van het uitbreiden van een traditionele, twee-dimensie (2D) electrospun nanofiber mat in een drie-dimensie (3D) steiger door de drukverlaging subkritische CO2 vloeistof. Deze augmented steigers zijn 3D, nauw mimic cellulaire nanotopographic signalen, en het behoud van de functies van biologische moleculen ingekapseld binnen de nanofibers.
Abstract
Electrospinning is de gewenste technologie in het produceren van een synthetische, functionele Steiger als gevolg van de biomimicry extracellulaire matrix en de bestrijding van het gemak van samenstelling, structuur en diameter van vezels. Echter, ondanks deze voordelen, traditionele electrospun nanofiber steigers komen met beperkingen waaronder ongeorganiseerd nanofiber oriëntatie, lage porositeit, kleine poriegrootte en vooral tweedimensionale matten. Als zodanig, is er een grote behoefte aan de ontwikkeling van een nieuw proces voor het fabriceren van electrospun nanofiber steigers die de bovenstaande beperkingen kunnen overwinnen. Hierin is een nieuwe en eenvoudige methode geschetst. Een traditionele 2D nanofiber mat wordt omgezet in een 3D steiger met gewenste dikte, kloof afstand, porositeit en nanotopographic signalen voor cel zaaien en proliferatie door de drukverlaging subkritische CO2 vloeistof. Naast het bieden van een steiger voor weefselregeneratie optreden, biedt deze methode ook de mogelijkheid om in te kapselen bioactieve moleculen zoals antimicrobiële peptiden voor lokale drug delivery. De CO2 uitgebreid nanofiber steigers houden groot potentieel in weefselregeneratie, wondgenezing, 3D weefsel modellering en actuele drug delivery.
Introduction
Het concept van de ontwikkeling van een synthetische steiger die kan worden geïmplanteerd in patiënten om hulp bij het weefselherstel en regeneratie is dat het gebied van regeneratieve geneeskunde voor decennia heeft doordrongen. De ideale synthetische steiger serveert voor het opwekken van cel migratie vanuit het omliggende gezonde weefsel, biedt een architectuur voor cel zaaien, hechting, signalering, proliferatie en differentiatie, ondersteunt vascularisatie, voorziet in voldoende oxygenatie en voeding levering, en host immuun activiteit om succes te verzekeren na implantatie1bevordert. Bovendien, kan het worden gebruikt als drager voor het insluiten van antimicrobiële moleculen bij wond genezing van1,3,6,7,8,9. De mogelijkheid om controle van de temporele vrijlating van deze biologische moleculen uit de synthetische steiger is een ander gewenst kenmerk dat wordt beschouwd als wanneer engineering steigers1.
Electrospinning is een goed benutte techniek voor het produceren van nanofiber steigers1,2,3,4,5,6. Eerdere pogingen om te maken van een steiger van de nanofiber zoals de hier besproken zijn gedaan met wisselend succes. Traditionele nanofiber steigers hebben echter slechts beperkt capaciteiten om deze doelen te bereiken. Traditionele nanofiber steigers zijn meestal twee-dimensionale matten1,3. Deze nonexpanded steigers zijn dichtbevolkte vol met kleine porie maten; Dit beperkt cel infiltratie, migratie en differentiatie als het is niet bevorderlijk voor een omgeving die vergelijkbaar genoeg zijn met die gevonden in vivo1,7,8,9. Om deze reden zijn de nieuwere technieken van 3D electrospun nanofiber steiger voorbereiding vastgesteld tot wijziging van de inherente gebreken die met 2D nanofiber matten komen. Deze technieken resulteren in 3D steigers; ze hebben echter slechts beperkt toepasbaarheid te wijten aan de productiemethoden die een waterige oplossing vereisen en trekkers van procedures. Deze verwerking resulteert in de willekeurige verdeling van de nanofibers zonder beperkte organisatie, de juiste dikte, en/of de gewenste porositeit te bieden van de adequate nanotopographic signalen die nodig voor cel migratie en proliferatie zijn. Deze factoren leiden tot de vorige 3D electrospun nanofiber steigers die geen voldoende mimicry van levende weefsels1,,7,,8,9.
Meer recente pogingen tot ontwikkeling van een uitgebreide, 3D steiger met betere biomimicry van extracellulaire matrix (ECM) zijn uitgevoerd met behulp van een waterige natrium natriumboorhydride (NaBH4) oplossing behandeling en vooraf ontworpen mallen om te helpen bij een betere controle van de vorm van de daaruit voortvloeiende steigerwerk7,8. Deze methode is echter niet ideaal aangezien het vereist het gebruik van waterige oplossingen, chemische reacties en trekkers die kan interfereren met polymeren en een ingekapselde biomoleculen die oplosbaar is in water. De gebruikte additieven kunnen ook bijwerkingen veroorzaken tijdens weefsel regeneratie8,9. De CO2 expansie methode in dit artikel beschreven sterk vermindert de verwerkingstijd, elimineert de noodzaak voor waterige oplossingen en behoudt het bedrag en de functionaliteit van biologisch actieve moleculen in grotere mate dan de eerder gevestigde methodes9.
In eerdere studies, antibiotica, zilver, 1α, 25 dihydroxyvitamin D3en antimicrobiële peptide werden LL-37 geladen in de steigers van nanofiber individueel als in combinatie te onderzoeken van het potentieel van deze steigers agenten vrijgeven verdere steun in de wond genezing9,10,12,13. Om aan te tonen deze methode van nanofiber steiger expansie, zal de Coumarine 6, een fluorescente kleurstof, in de steiger om aan te tonen van het potentieel van de steiger te embedding met diverse gewenste verbindingen worden geladen. Deze methode van uitgebreide nanofiber steiger fabricage in combinatie met ingekapselde bioactieve moleculen houdt groot potentieel in weefselregeneratie, wondgenezing, het maken van 3D weefsel modellen en de actuele levering van drugs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het omzetten van traditionele 2D electrospun nanofiber matten in uitgebreide 3D steigers via CO2 drukverlaging werd onderzocht. Traditionele 2D nanofiber matten zijn met succes uitgebreide via subkritische CO2 vloeistof. De kritische stappen zijn de matten knippen zonder vervormen de randen te fabriceren 2D nanofiber matten onder een geoptimaliseerde voorwaarde (bv. met behulp scherpe chirurgische schaar). Deze CO2-uitgebreide nanofiber steigers hebben vele voor…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door subsidies van het nationale Institute of General Medical Science (NIGMS) op de NIH (2P 20 GM103480-06 en 1R01GM123081 naar J.X.), de Otis Glebe Medical Research Foundation, NE LB606 en opstarten van fondsen van de Universiteit van Nebraska Medical, Inc. Centrum.
Materials
| Polycaprolactone | Sigma-Aldrich | 440744 | |
| N,N-Dimethlyformamide | Fisher Chemical | D-199-1 | |
| Dichloromethane | Fisher Chemical | AC61093-1000 | |
| Coumarin 6 | Sigma-Aldrich | 546283 | |
| Rotating Steel Drum | customized | This serves as a collector during electrospinning. | |
| Syringe Pump | Fisher Scientific | 14-831-200 | Coaxial spinning requires two single syringe pumps. |
| Revolver | Lab Net International | H5600 | Adjustable lab rotator for mixing solutions |
| Hypodermic Needle (27G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26426 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| Hypodermic Needle (21G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26416 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| High Voltage DC Power Supply | Gamma High Voltage Research | ES30 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova 2300 | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Axio Imager 2 | |
| LL 37 ELISA Kit | Hycult Biotech | HK321-02 |
References
- Chen, S., et al. Recent advances in electrospun nanofibers for wound healing. Nanomedicine. 12 (11), 1335-1352 (2017).
- Khandalavala, K., Jiang, J., Shuler, F. D., Xie, J. Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization. Journal of Visualized Experiments. (98), e52626 (2015).
- Xie, J., Li, X., Xia, Y. Put electrospun nanofibers to work for biomedical research. Macromolecular Rapid Communication. 29 (22), 1775-1792 (2008).
- Xie, J., et al. Nanofiber membranes with controllable microwells and structural cues and their use in forming cell microarrays and neuronal networks. Small. 7 (3), 293-297 (2011).
- Xie, J., et al. Radially aligned, electrospun nanofibers as dural substitutes for wound closure and tissue regeneration applications. ACS. 4 (9), 5027-5036 (2010).
- Xie, J., et al. “Aligned-to-random” nanofiber scaffolds for mimicking the structure of the tendon-to-bone insertion site. Nanoscale. 2 (6), 923-926 (2010).
- Jiang, J., et al. Expanded 3D Nanofiber Scaffolds: Cell Penetration. Neovascularization, and Host Response. Advanced Healthcare Materials. 5 (23), 2993-3003 (2016).
- Jiang, J., et al. Expanding Two-Dimensional Electrospun Nanofiber Membranes in the Third Dimension by a Modified Gas-Foaming Technique. ACS Biomaterials Science & Engineering. 10 (1), 991-1001 (2015).
- Jiang, J., et al. CO2-expanded nanofiber scaffolds maintain activity of encapsulated bioactive materials and promote cellular infiltration and positive host response. Acta Biomaterialia. 68, 237-248 (2018).
- Chen, S., et al. Nanofiber-based sutures induce endogenous antimicrobial peptide. Nanomedicine. 12 (10), 2597-2609 (2017).
- Dhand, C., et al. Bio-inspired crosslinking and matrix-drug interactions for advanced wound dressings with long-term antimicrobial activity. Biomaterials. 138, 153-168 (2017).
- Jiang, J., et al. Local sustained delivery of 25-hydroxyvitamin D3 for production of antimicrobial peptides. Pharmaceutical Research. 32 (9), 2851-2862 (2015).
- Jiang, J., et al. 1α, 25-dihydroxyvitamin D3-eluting nanofibrous dressings induce endogenous antimicrobial peptide expression. Nanomedicine (Lond). 13 (12), 1417-1432 (2018).
- Ma, B., Xie, J., Jiang, J., Shuler, F. D., Bartlett, D. E. Rational design of nanofiber scaffolds for orthopedic tissue repair and regeneration. Nanomedicine. 8 (9), 1459-1481 (2013).
