Elektronanofasergerüste mit Abstufungen in Fiber-Organisation

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll zur elektroNanoFaserGerüste mit abgestuften Organisation der Fasern herzustellen und zu erforschen ihre Anwendungen bei der Regulierung der Zellmorphologie / Ausrichtung. Farbverläufe in Bezug auf physikalische und chemische Eigenschaften der Nanofasergerüste bieten eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Biomedizin.

Zusammenfassung

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible applications in controlling cell morphology/orientation. Nanofiber organization is controlled with a new fabrication apparatus that enables the gradual decrease of fiber organization in a scaffold. Changing the alignment of fibers is achieved through decreasing deposition time of random electrospun fibers on a uniaxially aligned fiber mat. By covering the collector with a moving barrier/mask, along the same axis as fiber deposition, the organizational structure is easily controlled. For tissue engineering purposes, adipose-derived stem cells can be seeded to these scaffolds. Stem cells undergo morphological changes as a result of their position on the varied organizational structure, and can potentially differentiate into different cell types depending on their locations. Additionally, the graded organization of fibers enhances the biomimicry of nanofiber scaffolds so they more closely resemble the natural orientations of collagen nanofibers at tendon-to-bone insertion site compared to traditional scaffolds. Through nanoencapsulation, the gradated fibers also afford the possibility to construct chemical gradients in fiber scaffolds, and thereby further strengthen their potential applications in fast screening of cell-materials interaction and interfacial tissue regeneration. This technique enables the production of continuous gradient scaffolds, but it also can potentially produce fibers in discrete steps by controlling the movement of the moving barrier/mask in a discrete fashion.

Einleitung

Nanofasern sind eine beliebte Dienstprogramm für das Tissue Engineering die aufgrund ihrer Fähigkeit, die extrazelluläre Matrix in der Struktur und der relativen Größe ¹ nachahmen. Jedoch können einige native Gewebe Schnittstellen wie die Sehne-Knochen-Insertionsstelle, enthält Kollagenfasern, das eine variable Organisationsstruktur, die in Ausrichtung hin zunimmt Sehne und nimmt an der Knochenstelle ^2-5 aufweisen. Also, für eine effektive Regeneration der Gewebe gibt es eine Notwendigkeit, ein Gerüst, das diesen strukturellen Gradienten effektiv nachahmen herzustellen.

Zuvor hat es Forschung zu langsamen Veränderungen in der Fasermasse durchgeführt, und zwar, Mineralgehalt ^6. Allerdings, wieder die Strukturkomponente des Bindegewebes bleibt weitgehend unerforscht. Eine frühere Studie geprüft morphologischen Gradienten durch die Untersuchung der Wirkung der Oberflächen Siliciumdioxid Teilchendichte auf die Proliferation von Ratten-Schädel Osteoblasten und fanden ein inverse Verhältnis zwischen Kieselsäure Teilchendichte und Zellproliferation ^7. Aber die morphologischen Veränderungen, die in früheren Arbeiten vermittelten Zellproliferation waren meist verwandten Oberflächenrauhigkeit fehlt die Fähigkeit, in Nachahmung Faser organisatorische Veränderungen ^7,8. Eine neuere Studie versucht, ein Gerüst, das die einzigartigen Kollagenfaserorientierungen durch die Verwendung eines neuartigen Kollektor zum Elektro ⁹ nachgeahmt herzustellen. Während dieser Studie gelungen, ein Gerüst mit beiden ausgerichtet und Wirrfasern, versäumt es, die schrittweise Veränderung der nativen Geweben ausgestellt imitieren. Auch bei der Herstellung von Einzelkomponenten, mit einem sofortigen Wechsel von der willkürlichen Orientierung ausgerichtet ist, die biomechanischen Eigenschaften dieses Gerüst deutlich zurückgegangen. Keine frühere Arbeit ist es gelungen, zutreffend Nanofasergerüste mit kontinuierlichen Abstufungen in der Faserorientierungen von fluchtenden und zufälligen erzeugen. Unsere aktuelle Studie hat erfolgreiche Erholung der Nanofasergerüste gezeigtmit Abstufungen in Faser-Organisation, die möglicherweise nachahmen kann das native Kollagen Organisation Sehne-Knochen-Insertion ^10. Diese Arbeit zielt darauf ab, die für die Herstellung von Nanofasergerüste mit einer Struktur, die sehr ähnlich ist, dass der Faser-Organisation in der Landes Sehnen-Knochen-Gewebe-Grenzfläche verwendeten Protokolle zu präsentieren.

Gradient Nanostrukturen möglicherweise weitreichenden Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen. Wir konzentrierten uns auf die Anwendungen auf Tissue Engineering der Sehne-Knochen-Insertionsstelle durch die Kombination unserer Gerüste mit Fettgewebe gewonnene Stammzellen (ADSCs), die bereits für die Geweberegeneration auf verschiedenen Substraten ^11-14 eingesetzt werden. Darüber hinaus sind ADSCs sehr ähnlich in der Natur, um Stammzellen des Knochenmarks hinsichtlich der Multipotenz und ihre Ressourcen reichlich vorhanden ist, die mit einem einfachen Fettabsaugung ^15,16 geerntet werden können. Seeding diese Zellen auf Nanofasergerüste abgestuft weitere Verbesserung ihrer tisklagen Ingenieuranwendungen, indem es für die gesteuerte Verteilung der Zellen, die potentiell in verschiedenen Geweben differenzieren können. Zusätzlich zum Impfen Stammzellen können Nanofasern mit Signalmolekülen zur Regulierung der zellulären Antwort eingekapselt werden. Koppeln Nanoverkapselung mit der organisatorischen Gradienten dieser Gerüste ermöglicht die Untersuchung von Zellverhalten oder mögliche Implantatdesigns und Beschichtungen. Verkapselung von funktionellen Molekülen, wie morphogenetisches Knochenprotein 2 (BMP-2), von dem gezeigt wurde, um die Osteoblasten-Differenzierung ^15,16 induzieren könnten weitere Verbesserung der Gewebezüchtung dieser Gerüste ^10.

Protokoll

1. Herstellung der Lösung

1. Es wird eine Lösung von Poly (ε-caprolacton) (PCL) (M _w = 80.000 g / mol) bei einer ungefähren Konzentration von 100 mg / ml. Löse PCL in einem Gemisch von Dichlormethan (DCM) und N, N-dimethlyformamide (DMF) in einem Verhältnis von 4: 1 (v / v) mit einer Konzentration von 10% (w / v).
2. Legen Sie die Lösung in einem 20 ml Glasröhrchen zum Mischen. Platzieren Glasrohr in Ultraschallreiniger für 30 Minuten oder bis die Lösung durchlässig ist.

2. Geräte Vorbereitung

1. Fügen Sie den PCL-Lösung vorbereitet in eine 5-ml-Spritze mit einer 21-Gauge-stumpfe Nadel.
2. Platzieren Spritzenpumpe in vertikaler Elektrospinnposition gemäß Figur 1.
3. Verwenden Sie ein Stahl-Lücke Sammler Edelstahl mit einem offenen Raum von 2 cm x 5 cm für die ausgerichtete Fasersubstrat. Platzieren Sie den Sammler 12 cm von der Nadelspitze.
4. Verbinden Sie den Gleichstrom (DC) Hochspannungsnetzteil an dieNadel und erden Sie die Sammler. Stellen Sie sicher, dass der Kollektor ist einzeln ohne Kontakt zur anderen Laborgeräten geerdet.

3. Das Elektro

1. Set Spritzenpumpe auf 1,50 ml / h, bis die Tröpfchen bilden an der Nadelspitze sofort ersetzt werden, wenn entfernt. Dann stellen Sie die Durchflussrate auf 0,50 ml / h.
2. Schalten Sie die Spannung Betreiber bis 12 kV.
3. Elektrospinnen, bis die uniaxial ausgerichteten Fasern vollständig zu bedecken die Lücke auf dem Sammler.
4. Leim auf die Kanten einer Glasplatte und Übertragung der Fasern von dem Spalt Kollektor mit der Glasplatte. Legen der Glasplatte auf der Oberseite von einem Stück Aluminiumfolie, die die gleiche Größe wie die Glasplatte und ist geerdet.
5. Positionieren Sie die zweite Spritze Kollektor nach 3.
6. Bringen Sie die Kunststoffmaske zum zweiten Spritzenpumpe und positionieren 2 mm oberhalb des Kollektors.
7. Hinzufügen Coumarin 6 bei 1% (w / w) in der PCL-Lösung, wenn nanoencapsulation ist desired- und mische bis die Lösung durchlässig ist.
8. Laden Sie den PCL oder PCL / Cumarin 6 Lösung in eine 5 ml Nadel mit einem stumpfen 21-Gauge-Nadel. Stellen vertikale Pumpen bis 0,50 ml / h und horizontal auf 9 ml / h oder bei einer ungefähren Geschwindigkeit von 1 mm / min zu ziehen.
9. Elektrospinnen, bis die Maske fast vollständig aus dem Kollektor mit dem Randbereich nach wie vor unter der Maske bewegt, aber.

4. Fasercharakterisierung

1. Prüfmuster mit doppelseitige leitende Band an der metallischen Bolzen und Mantel mit Platin für 40 sec mit einem Sputter-Coater bei 40 mA.
   1. Untersuchen Fasern durch Rasterelektronenmikroskop (SEM) nach unseren früheren Studien ^17,18.
   2. Sammeln Bilder bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV.
2. Durchführen von schnellen Fourier-Transformation (FFT) auf einem getrennten Faserprobe die Faserausrichtung zu messen. Die detaillierten Angaben zum Messfaserausrichtung durch FFT kann beziehen to früheren Studien ^19,20.

5. Seeding Stammzellen.

1. Sterilisation der Faserproben durch Eintauchen in eine 70% Ethanollösung für 2 Std. Dann waschen die Fasern mit destilliertem Wasser, um jegliche Verunreinigungen zu entfernen.
2. Erhalten menschlichen ADSCs und Kulturzellen in einem 25 cm ^{2 -Kolben} bei 37 ° C in einer Atmosphäre von 95% Luft / 5% CO _2. Ändern Sie jeden zweiten Tag ¹⁰ das Zellkulturmedium.
3. Trypsinieren die Zellen und die Anzahl der Zellen. Genauer gesagt, nehmen Sie das Kulturmedium aus der Zellkulturflasche und waschen Sie die Zellen mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) zweimal. Dann fügen Sie 1 m ^l einer 0,25% Trypsin-EDTA-Lösung (pre-warm im Wasserbad auf 37 ° C), um die Zellschicht zu bedecken und die Flasche in der Zellkulturbrutschrank inkubieren für 2-3 Minuten. 4 ml Kulturmedium und waschen Sie alle Zellen von der Oberfläche durch Pipettieren des Mediums über die gesamte Oberfläche. Zentrifugieren Sie die Zellsuspension und redispergieren the Zellpellet in Kulturmedium. Count-Zellen über Hämazytometer. Seed etwa 1 × 10 ⁴ Zellen zur Nanofasergerüst in einem 35 mm -Kultur Schale gelegt und Inkubation für 3 und 7 Tagen.
4. Stain-Zellen unter Verwendung von Fluoresceindiacetat (5 mg / ml in Aceton) (FDA) dann bild die Proben unter Verwendung eines Fluoreszenz-Mikroskops. Genauer gesagt, werden 100 ul des FDA-Lösung in die Kulturschale pipettieren und 30 min. Dreimal vor Fluoreszenzabbildung waschen Zellen mit PBS. Analysieren Zellorientierung durch eine kundenspezifische Matte-lab-Programm auf der Grundlage unserer bisherigen Studien ^10.

Ergebnisse

Unter Verwendung dieses Protokolls wurde eine Fasermatte mit einer organisatorischen Gradienten gebildet. 3 zeigt die REM-Bilder an verschiedenen Stellen auf der Nanofaser-Gerüst entnommen. Qualitativ kann bestimmt werden, dass es einen Übergang von der uniaxial ausgerichteter Fasern mit einem 0 mm (3A) zu einer zufälligen Fasersortiment auf 6 mm (Figur 3D). Die FFT liefert einen quantitativen Wert auf die Faserausrichtung, Einzelheiten über die quantitativen Prozes...

Diskussion

The most critical part of the protocol is generation of the gradient scaffold. It is imperative that the mask covering the collector moves at a constant velocity so there is a gradual change within the fiber scaffold. The correct preparation of PCL solution is also important to ensure electrospinning success. Checking the fiber morphology prior to electrospinning is recommendable, especially after the encapsulation of Coumarin-6, which may require a higher voltage to electrospin correctly.

Fu...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polycaprolactone	Sigma-Aldrich	440744
N,N-Dimethlyformamide	Fisher Chemical	D-119-1
Dichloromethane	Fisher Chemical	AC61093-1000
Coumarin 6	Sigma-Aldrich	546283
Adipose Derived Stem Cells	Cellular engineering Technologies	HMSC.AD-100
Fetal Bovine Serum	Life Technologies	26140-111
Fluorescein Diacetate	Sigma-Aldrich	F7378
Ethanol	Sigma-Aldrich	E7023
Trypsin-EDTA	Invitrogen	25300-054
α-Modified Eagle's Medium	Invitrogen	a10490-01
Acetone	Fisher Scientific	s25120a
Phosphate Buffered Saline	Invitrogen	10010023
Glass Slides	VWR international, LLC	101412-842
Syringe Pump	Fisher Scientific	14-831-200	Single syringe
Ultrasonic Cleaner	Branson	1510
High Voltage DC Power Supply	Gamma High Voltage Research	ES30
Scanning Electron Microscope	FEI	Nova 2300
Fluorescence Microscope	Zeiss	Axio Imager 2