Kollagen-Hydrogele

Kollagen-Hydrogele wirken als biologisch kompatible dreidimensionale Struktur, ähnlich der von nativem Gewebe, was die Entwicklung von künstlich hergestelltem Gewebe erleichtert. Kollagen, der Hauptbestandteil dieser Gele, ist ein extrazelluläres Matrixprotein, das im Bindegewebe vorkommt. Und wird zur Herstellung von Hydrogelen verwendet, bei denen es sich um 3D-Polymernetzwerke handelt, die hauptsächlich aus Wasser bestehen. In diesem Video wird die physiologische Rolle von Kollagen vorgestellt, ein Verfahren zur Isolierung und Verarbeitung von Kollagen aus Schweinehaut, die Herstellung von Hydrogelen aus dem gereinigten Protein und schließlich einige Anwendungen für die Verwendung dieser Kollagen-Hydrogele.

In der extrazellulären Matrix des Bindegewebes gibt es spezifische Zellen, die für den Großteil der Kollagenproduktion verantwortlich sind, sogenannte Fibroblasten. Diese Zellen synthetisieren lange, steife Polypeptidketten. Diese werden zu einzelnen dreifach helikal geordneten Polymeren zusammengebaut, die als Kollagenmoleküle bezeichnet werden. Kollagenmoleküle werden dann weiter zu dickeren und größeren Fibrillen gebündelt, die dann noch weiter zu größeren Fasern gebündelt werden, um der extrazellulären Matrix strukturelle Integrität für die verschiedenen mechanischen Belastungen zu verleihen, denen sie ausgesetzt sein kann. Verschiedene Konfigurationen von Kollagen werden entsprechend den mechanischen Bedürfnissen bestimmter Gewebe hergestellt. Knochengewebe zum Beispiel nutzt ein sehr kompaktes, intensives Netzwerk von Fasern, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Andere Gewebe, wie die Darmwand, verwenden jedoch eine stärker verteilte Struktur. Einmal aus dem Bindegewebe gewonnen, kann das Kollagenpolymer zur Herstellung verschiedener Materialien verwendet werden. Da Kollagen ein hydrophiles Polymer ist, ist es sehr saugfähig. So kann es ein Hydrogel bilden, das ein Polymernetzwerk ist, das bis zu 90 % Wasser enthält. Diese Polymernetzwerke werden durch die Vernetzung einzelner Polymerketten mit verschiedenen Methoden gebildet, wie z. B. chemischen Vernetzern, Hitze oder UV-Licht. Der Grad der Vernetzung beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels. So können diese Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Nachdem nun die Prinzipien von Kollagen-Hydrogelen erklärt wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie Kollagen aus der Schweinehaut gewonnen und zur Herstellung eines Hydrogels verwendet wird.

Um mit der Verarbeitung von Kollagen aus einer Hautprobe zu beginnen, spülen Sie es zuerst in eiskaltem destilliertem Wasser ab und verwenden Sie dann Enthaarungscreme zur Entfernung von Wolle, Fell oder Haaren. Kratzen Sie die Probe mit einer einschneidigen Rasierklinge von Bindegewebe und Fett ab und spülen Sie sie erneut mit eiskaltem Wasser ab. Schneiden Sie dann die Hautprobe in zentimetergenaue Stücke. Um das nicht kollagene gelöste Material zu entfernen, wiegen Sie zuerst 5 Gramm Hautquadrate pro konischem 50-Milliliter-Röhrchen ab und fügen Sie dann jeder Probe 30 Milliliter eiskaltes 0,5-molares Natriumacetat hinzu. Mischen Sie dann die Röhrchen in einem Tischhomogenisator. Nach einer Minute wird der Überstand verworfen und die Proben erneut in eiskaltem Natriumacetat für insgesamt sieben Waschgänge gemischt. Spülen Sie die Probe nach dem letzten Waschen in eiskaltem destilliertem Wasser ab und mischen Sie es noch einmal, um das restliche Natriumacetat zu entfernen. Komprimieren Sie dann die Probe gegen das Röhrchen, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen, und übertragen Sie jede verarbeitete 5-Gramm-Hautprobe in frische konische 50-Milliliter-Röhrchen. Um das Kollagen zu extrahieren, waschen Sie die Probe zweimal in 2 Millilitern 0,075 molaren Natriumcitratpuffer pro Gramm Probe. Die Überstände sind zu verwerfen und die Proben nach jedem Waschgang zu komprimieren, der zuvor nachgewiesen wurde. Nach der zweiten Wäsche fügen Sie ein frisches Aliquot Natriumcitratpuffer hinzu und führen Sie dann sechs aufeinanderfolgende Rührzyklen durch, ohne den Puffer zwischen den einzelnen Zyklen zu entfernen. Übertragen Sie nun die Überstände in einzelne Sammelröhrchen und fügen Sie zusätzlich einen Milliliter 0,075 molaren Natriumcitratpuffer pro Gramm Probe hinzu, bevor Sie einen abschließenden Rührzyklus durchführen. Anschließend zentrifugieren Sie den Überstand erneut in einem Zentrifugalfiltergerät, um das extrahierte Kollagen zu reinigen. Lagern Sie die gereinigte Collage schließlich bei 4 Grad Celsius.

Jetzt, da das Kollagen gereinigt wurde, kann ein Kollagen-Hydrogel hergestellt und mit Zellen besiedelt werden, um ein künstliches Gewebekonstrukt zu bilden. Mischen Sie zunächst das gereinigte dermale Kollagen gründlich in einem konischen Röhrchen. Geben Sie dann die Zellen sofort in die Kollagenlösung und legen Sie sie auf Eis. Pipettieren Sie die eiskalte Mischung in eine sterile, nicht gewebekultivierte Oberfläche, um das Anhaften und Wachstum von Zellen außerhalb des Kollagengels zu minimieren. Verwenden Sie eine Pipettenspitze, um die Lösung gleichmäßig zu verteilen. Lassen Sie das Gel etwa 10 bis 15 Minuten lang bei Raumtemperatur polymerisieren. Decken Sie dann die Gele ab und stellen Sie sie für weitere 60 Minuten in einen 37 Grad Celsius heißen Inkubator, um die Polymerisation abzuschließen. Bei der Polymerisation wird das Gel undurchsichtig. Nach der Polymerisation fügen Sie zwei bis drei Milliliter Medium hinzu. Dann ist das besiedelte Hydrogel bereit für den Einsatz in Gewebekulturstudien.

Nachdem Sie nun gelernt haben, wie man Kollagen-Hydrogele konstruiert, schauen wir uns einige praktische Anwendungen dieser Materialien an. Kollagen-Hydrogele werden häufig verwendet, um natives Gewebe nachzuahmen, wie hier gezeigt. Im natürlichen Gewebe kann es jedoch zu Veränderungen in der Organisation der Kollagenfasern kommen. Das Ergebnis sind ausgerichtete Strukturen. Infolgedessen können technisch hergestellte Kollagenmatrizen entweder in zufälligen oder ausgerichteten Konfigurationen hergestellt werden. Kollagen-Hydrogele werden häufig als Gewebegerüste für die Entwicklung von künstlichem Gewebe verwendet. Durch die Bereitstellung einer maßgeschneiderten dreidimensionalen Struktur, in der sich die Zellen befinden können, wird die Kollagenmatrix anschließend neu organisiert, um die Struktur und Funktion von echtem Gewebe nachzuahmen. Zum Beispiel können Gerüste mit Osteoblasten, den für die Knochenbildung verantwortlichen Zellen, besetzt werden, um die Matrix so zu reorganisieren, dass sie der Struktur und Funktion des nativen Knochengewebes ähnlicher wird.

Sie haben gerade Joves Einführung in Kollagen-Hydrogele gesehen. Sie sollten nun die Kollagenstruktur, die Isolierung und die Herstellung von Kollagen-Hydrogelen sowie die verschiedenen Anwendungen im Bereich des Bioengineerings verstehen. Danke fürs Zuschauen!