细胞外基质蛋白纳米纤维和纳米结构工程采用表面引发大会

摘要

A到从单个或多个细胞外基质蛋白得到纳米纤维和纳米结构复杂的方法进行描述。此方法使用蛋白质表面的相互作用与可调的组成和架构，在各种组织工程和生物技术应用创造自由站立蛋白质为基础的材料。

摘要

细胞外基质（ECM）在组织中被合成，并通过细胞组装以形成一个三维纤维状蛋白质与网络紧密调节纤维的直径，组成和组织。除了 ​​提供结构支撑，ECM的物理和化学性质在多种细胞过程，包括粘附，分化和凋亡中发挥重要作用， 在生物体内时，ECM是由蛋白质中暴露隐秘自组装（原纤维）位点组装。这个过程变化为不同的蛋白质，但纤连蛋白（FN）的原纤维是非常明确的，并作为细胞介导的​​ECM组件的模型系统。具体地，将细胞用对细胞膜整合素受体结合FN二聚体和肌动球蛋白生成的收缩力，以展开并暴露结合位点组装成不溶性纤维。该受体介导的过程使细胞从细胞聚集和组织的ECM来组织SCALES。在这里，我们提出了一个方法称为表面引发组装体（SIA），采用蛋白质表面的相互作用展开ECM蛋白和它们组装成不溶性的纤维，概括细胞介导的​​基质组装。首先，ECM蛋白吸附到疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，他们部分变性（折叠）和揭露隐秘结合结构域。未折叠的蛋白质，然后转移中良好定义的微和纳米图案通过微接触印刷到热响应聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PIPAAm）表面。该PIPAAm的热引发溶解导致最终组装和不溶性的ECM蛋白的纳米纤维和纳米结构具有良好定义的几何形状的释放。复杂的架构是可以通过在用于微接触印刷的PDMS印章定义的工程模式。除了FN，新航过程中可以与层粘连蛋白，纤维蛋白原被使用和胶原蛋白I型和IV创建多组分的ECM nanostrucTures的。因此，SIA，可用于工程ECM蛋白质基材料，具有精确控制的蛋白质组合物，纤维的几何形状和脚手架架构中为了概括ECM的结构和组合物在体内 。

引言

细胞外基质（ECM）的组织是由参与多种细胞过程，包括黏附，增殖，分化和凋亡^1-3的物理和化学调控的多功能蛋白质。 ECM的合成，组装，并通过细胞组织组成的蛋白质纤维具有独特的成分，纤维尺寸，几何形状和相互关联的架构，随组织类型和发展阶段。最近的工作已经证明，细胞外基质可以提供指导性线索来指导细胞形成工程化组织^4，这表明扼要的ECM中的组成和结构方面可能使仿生材料的开发用于组织工程和生物技术的应用。

许多制造方法已开发工程师的聚合物支架，可在组织中模仿的ECM的各方面。例如，静电纺丝和相位组合模式振动性也都表现出以形成纤维的多孔基质具有直径范围从几十微米下降到几十纳米^5-7的能力。这两种技术也已经表明，纳米纤维的高度多孔的基质可支持细胞粘附和浸润到支架^8。然而，这些方法都在能够建立可能的纤维的几何形状，取向和三维结构的限制。静电通常会产生与支架或者进行定向或随机高度一致的纤维，而相分离产生的支架与随机取向的纤维。也有对这些材料的限制，研究人员通常采用的合成聚合物，如聚（ε-己内酯^）8和聚（乳酸-共-乙醇酸^）9，即其后涂ECM蛋白，以促进细胞粘附。天然生物聚合物也被使用，包括I型胶原^10，明胶^11，纤维蛋白原^12，脱乙酰壳多糖^13，和丝^14，....

方案

1，制作母模使用光刻

1. 细胞外基质蛋白纳米纤维，nanofabrics和纳米结构是捏造的，首先设计使用计算机辅助设计（CAD）软件。然后这个CAD文件被传送到一个​​光掩模。光罩的类型将取决于功能的决议;用透明度为基础的光罩足够的特征尺寸降低到〜10微米。较小的特点<10微米，需要在玻璃光掩膜铬。所有这里介绍的纳米纤维和纳米结构是使用一个透明的基于光掩模制​​造的，因而是纳米级的厚度，但不能横向尺寸。
   注意:区分哪个光掩模的区域将成为暗是重要的（防止UV光通过），并且将是透明的（允许UV光穿过），因为这，随着光致抗蚀剂的类型（正或负） ，将决定主模的最终形貌。
2. 以开始主模具的制造中，通过将其放置在热板上设定为150℃下进行15分钟脱水4"硅晶片。
3. 围绕一个旋涂机的真空夹紧晶片。倾SU8-2015的负光致抗蚀剂到晶圆的中间，并继续在同心圆浇注直到大约三分之二晶片的覆盖。
   注意:浇注时，尽量减少气泡的形成保持瓶SU8靠近晶片。
4. 编程spincoater如下:
   • 扩散周期:500 rpm的转速100转/秒，持续10秒的加速度。
   • 旋转循环:4,000 rpm的转速100转/秒，持续30秒的加速度。
   注意:该旋转涂布配方会形成一个光致抗蚀剂层，它是约10微米厚。通过改变纺丝速度或SU8制剂，该厚度可以调整。
5. 软通过将其放置在热板上设定为95℃，3分钟烘焙晶片。

结果

新航能工程的ECM蛋白纳米纤维与精确控制光纤的尺寸。为了证明这一点，FN纳米纤维为50×20微米平面尺寸的阵列，图案到PIPAAm涂盖玻片（ 图2A）。获释后，纤维收缩，因为他们是在一个固有的预应力对PIPAAm面（ 图2B）图案时。新生力量纳米纤维的分析表明它们是单分散的预发行以50.19的平均长度±0.49微米的19.98±0.17微米，宽度（ 图2C）。尽管收缩明显，FN纤维释放后仍具有单分散的14.15，平均长度±0.92微米，宽度为2.65±0.32微米（ 图2D）。原子力显微术提供了与SIA释放的过程相关联的纤维的尺寸变化的更高分辨率的角度。值得注意的是，纤维预发布了的〜5nm的（ 图2E）具有均匀的厚度，而纤维释放后有几百纳米（ 图2F）量级的异质厚度。

使用SIA过程中，它可能建造多种ECM蛋白的纳米结构具有可调的大小，形状和组成（ 图3）。

讨论

这里的新航法提出模仿细胞介导的​​基质组装，使之ECM蛋白纳米纤维和纳米结构工程与可调大小，组织和组成。虽然不完全相同的细胞产生的细胞外基质，新航造成细胞外基质蛋白纳米纤维²⁰的经历可逆的折叠/内机械应变²¹展开，并能结合细胞²⁰组成。这提供了构建的ECM蛋白的材料，概括ECM的体内发现了许多性能独特的能力。例如，细胞外基质的纳米纤维可以制造在特定的长度与控制不可行与其他技术的水平。我们展示了创造的单分散纳米纤维阵列（ 图2），控制精确长度和宽度预发布（ 图2C）和释放后（ 图2D）的能力。这些细胞外基质的纳米纤维可以是任何长度，具体表现为制造纳米FN纤维在约1cm的长度（ 图3A）。与此相反，如静电纺丝和相分离等的制造技术可以建立纳米纤维，但不与长度的精确控制，产生主要是连续的纤维。这些技术还局限在一个支架内纤维的几何形状和组织。 SIA可用于构建细胞外基质的纳米结构与任意平面的几何形状，例如星形（ 图.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
聚（N-异丙基丙烯酰胺） / PIPAAm	Polysciences	21458-10	40,000 Mw
Sylgard 184 硅胶套件 （PDMS）	道康宁		混合 10 份基础和 1 份固化剂。
丁醇
纤连蛋白	BD 生物科学	354008	人，1mg
层粘连蛋白	BD 生物科学	354239	超纯，小鼠，1mg
负光刻胶	Microchem	SU8-2015
SU8 显影	Microchem
超声波仪 Branson M3510	Branson Ultrasonic Corporation	CPN-952-318
Thinky ARE-250 混合器	Thinky Corporation
Spincoater	特种涂层系统	G3P-8
玻璃盖 25mm 直径，No 1.5	Fisher Scientific	12-545-86