Artículo de método

Preparación de Superficies de respuesta térmica nanoestructurados para la Ingeniería de Tejidos

7.9K vistas

⸱

DOI:

10.3791/53465

⸱

1 de marzo de 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, Tokyo University of Science, 2Institute of Advanced Biomedical Engineering and Science, Tokyo Women's Medical University

En este artículo

Resumen

Se fabricaron superficies de islas marinas a nanoescala compuestas por copolímeros de bloque termosensibles mediante el método de Langmuir-Schaefer para controlar la adhesión y el desprendimiento espontáneo de células. Se visualizó tanto la preparación de la superficie como la adhesión y desprendimiento de células en la superficie.

Resumen

Las superficies inmovilizadas de poli(N-isopropilacrilamida) (PIPAAm) para controlar la adhesión y el desprendimiento celular se fabricaron mediante el método de Langmuir-Schaefer. Los copolímeros de bloque anfifílicos compuestos por poliestireno y PIPAAm (St-IPAAms) se sintetizaron mediante polimerización radical reversible por transferencia de cadena de adición-fragmentación (RAFT). Una solución de cloroformo de moléculas de St-IPAAm se dejó caer suavemente en un aparato de canal de Langmuir, y ambas barreras del aparato se movieron horizontalmente para comprimir la película y regular su densidad. A continuación, la película St-IPAAm Langmuir se transfirió horizontalmente a un sustrato de vidrio modificado hidrofóbicamente mediante un dispositivo de fijación de superficie. Las imágenes de microscopía de fuerza atómica revelaron claramente estructuras de islas marinas a nanoescala en la superficie. La fuerza, la velocidad y la calidad de la adhesión y el desprendimiento celular en la superficie preparada se modularon mediante cambios de temperatura en el rango de temperatura de la solución crítica más baja de las moléculas de PIPAAm. Además, se recuperó con éxito una estructura celular bidimensional (lámina de celda) en las superficies optimizadas. Estas superficies únicas de PIPAAm pueden ser útiles para controlar la fuerza de adhesión y desprendimiento de las células.

Introducción

superficies nanoestructuradas recientemente han atraído considerable atención debido a sus diversas aplicaciones potenciales, incluyendo patrones, cultivo celular, limpieza y cambio de superficie. Por ejemplo, las superficies superhydrophobic inspirados en la nanoestructura de la hoja de loto y otras superficies sensibles son capaces de reaccionar a los estímulos externos 1-4.

La película de Langmuir es uno de los recubrimientos de polímeros más ampliamente estudiados. Una película de Langmuir está formada por moléculas anfifílicas caer en una interfaz aire-agua 5-8. La película puede ser entonces transferida a una superficie sólida por adsorción física o química, y la conformación molecular sobre una superficie sólida se puede controlar utilizando métodos de transferencia vertical y horizontal 9-12. La densidad de la película de Langmuir se puede regular con precisión mediante la compresión de la interfaz aire-agua. Recientemente, este método también ha demostrado ser eficaz para la fabricación nanométrica structur mar-islaes mediante la utilización de copolímeros de bloques anfifílicos. Las nanoestructuras se supone que consisten en un núcleo de segmentos hidrófobos y una cubierta de segmentos hidrófilos 13-17. Además, el número de nanoestructuras sobre una superficie se regula controlando el área por molécula (A m) del copolímero de bloque en la interfase.

Nos hemos centrado en un original, el enfoque de la ingeniería de tejidos sin andamios únicos, ingeniería lámina celular, utilizando una superficie de cultivo sensible a la temperatura. La tecnología desarrollada se ha aplicado a terapias regenerativas para diversos órganos 18. Una superficie de cultivo sensible a la temperatura fue fabricado por injerto de poli (N -isopropylacrylamide) (PIPAAm), una molécula sensible a la temperatura, sobre una superficie de 19 a 27. PIPAAm y sus copolímeros presentan una temperatura de solución crítica inferior (LCST) en medio acuoso a temperaturas cerca de 32 ° C. La superficie de cultivo también exhibió una alternati sensible a la temperatura en entre hidrofobicidad e hidrofilicidad. A 37 ° C, la superficie injertada con PIPAAm se convirtió hidrófobo, y las células fácilmente conectado y proliferaron en la superficie, así como en poliestireno de cultivo tisular convencional. Cuando la temperatura se bajó a 20 ° C, la superficie se hizo hidrófila, y células separadas espontáneamente de la superficie. Por lo tanto, las células confluentes cultivadas en la superficie podrían ser cosechadas como una hoja intacta cambiando la temperatura. Estas propiedades de adhesión celular y la separación también se muestran por una superficie fabricada por recubrimiento de película de Langmuir para la demostración de laboratorio 26, 27. Se fabricó una película de Langmuir de copolímeros de bloque compuestos de poliestireno (P (St)) y PIPAAm (St-IPAAm). La película de Langmuir con una A específica m podría ser transferido horizontalmente a un sustrato de vidrio hidrofóbicamente modificado. Además, se evaluó la adhesión celular encendido y el desprendimiento de la superficie preparada en respuesta a la temperatura.

_content "> A continuación, describimos los protocolos para la fabricación de una película de Langmuir nanoestructurado compuesto por copolímeros de bloques anfifílicos termo-sensible en un sustrato de vidrio. Nuestro método puede proporcionar una técnica de fabricación eficaz para nanopelículas orgánicos en diversos campos de la ciencia de superficies y puede facilitar más el control efectivo de la adhesión celular en y el desprendimiento espontáneo de una superficie.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

1. Síntesis de poli bloque de poliestireno (N -isopropylacrylamide) por dos pasos reversible de transferencia de cadena por adición-fragmentación (RAFT) polimerización por radicales

  1. Disolver estireno (153,6 mmol), 4-ciano-4- (ethylsulfanylthiocarbonyl) ácido sulfanylpentanoic (ECT; 0,2 mmol), y 4,4'-azobis (ácido 4-cianovalérico) (ACVA; 0,04 mmol) en 40 ml de 1, 4-dioxano. Congelar la solución en nitrógeno líquido al vacío durante 15-20 minutos para eliminar las especies reactivas y poco a poco se descongele a temperatura ambiente. Asegúrese de que la solución esté completamente descongelado y repetir este ciclo de desgasificación por congelación-descongelación de la bomba tres veces.
  2. Obtener el poliestireno (PST) (Mw: 13.500) como agente de RAFT macro mediante polimerización a 70 ° C durante 15 horas en un baño de aceite.
  3. Agente de macro BALSA precipitado PSt con 800 ml de éter y se seca al vacío.
  4. Disolver monómero IPAAm (4,32 mmol), agente de RAFT macro PST (0,022 mmol), y ACVA (0,004 mmol) en 4 ml de 1,4-dioxano.
  5. retirarel oxígeno en la solución por los ciclos de desgasificación por congelación bombeo-descongelación como se ha mencionado en el paso 1.1.
  6. Realizar una polimerización a 70 ° C durante 15 horas en un baño de aceite después de la desgasificación. Obtener sintetizado molécula St-IPAAm (Mw: 32.800) en la misma manera que el agente de RAFT macro PST.

2. Preparación de sustratos de vidrio Silanized hidrófoba modificados

  1. sustratos de vidrio de lavado (24 mm x 50 mm) con un exceso de acetona y etanol y se somete a ultrasonidos durante 5 min para eliminar contaminantes de la superficie.
  2. Secar los sustratos en un horno a 65 ° C durante 30 min. A continuación, utilice plasma de oxígeno (400 W, 3 min) para activar las superficies de los sustratos a temperatura ambiente.
  3. Sumergir los sustratos en tolueno que contiene 1% hexiltrimetoxisilano durante la noche a RT a silanizar el sustrato.
  4. Lavar los sustratos silanizados en tolueno y se sumerja en acetona durante 30 minutos para eliminar los agentes que no han reaccionado.
  5. sustratos de recocido durante 2 horas a 110 ° C para inmovilizar a fondo los sTu cara.
  6. Cortar los sustratos silanized por un cortador de vidrio de 25 mm x 24 mm para adaptarse a las placas de cultivo celular (tamaño del plato: φ35 mm).

3. Preparación de Langmuir Films y Cine-transferido Superficie

  1. Coloque el instrumento película de Langmuir en un armario para evitar la acumulación de polvo.
  2. Lavar la artesa de Langmuir (tamaño: 580 mm x 145 mm) y las barreras con agua destilada y etanol para eliminar los contaminantes.
  3. Secar la cubeta y las barreras frotando con una toalla sin pelusa. A continuación, llenar la cubeta con aproximadamente 110 ml de agua destilada, y establecer las barreras a ambos lados de la artesa. Tenga en cuenta que el agua destilada se debe añadir sin derramar en los siguientes pasos 3,5-3,13.
  4. Calentar una placa de Wilhelmy de platino (perímetro: 39.24 mm) para el control de la tensión superficial con un quemador de gas hasta que la placa se vuelve rojo y luego lavar con agua destilada para eliminar los contaminantes. Suspender la placa de Wilhelmy en un cable conectado ael instrumento superficie de presión-medición.
  5. Poner a cero el instrumento superficie de presión de medición de acuerdo con el protocolo del fabricante. Comprimir la interfase aire-agua en la cubeta por las barreras en ambos lados de la cubeta hasta que la interfaz alcanza aproximadamente 50 cm 2 sin ningún tipo de gotas de polímero.
  6. Aspirar los contaminantes pequeños hasta que la presión en la superficie es casi 0 mN / m.
  7. Volver a colocar las barreras en ambos lados, y añadir agua destilada para compensar la disminución de agua destilada desde el paso 3.6.
  8. Disolver 5 mg de la molécula de St-IPAAm sintetizado en 5 ml de una solución de desarrollo de cloroformo.
    Nota: diclorometano o tolueno también se puede utilizar como disolvente.
  9. deje caer suavemente 27 l de St-IPAAm disueltos en cloroformo en la cubeta usando una microjeringa o micropipeta.
  10. Después de esperar 5 min para permitir la evaporación completa de cloroformo, mover ambas barreras horizontalmente para comprimir el molecu St-IPAAmLe en la interfase. Mantener la tasa de compresión de las barreras a 0.5 mm / seg hasta que el área objetivo de 50 cm 2 se alcanza.
    Nota: Una tasa de compresión rápida provoca defectos en la película de Langmuir.
  11. Medir la presión superficial (π) -A m isotermas con la placa de Wilhelmy de platino unida a la superficie de presión del instrumento de medición de durante la compresión de acuerdo con el protocolo del fabricante.
  12. Después de alcanzar el tamaño del área objetivo, mantener la superficie durante 5 min para permitir que las moléculas de St-IPAAM se relajen; las moléculas no alcanzan el equilibrio inmediatamente después de la compresión.
  13. La transferencia de la película de Langmuir a un sustrato de vidrio modificado hidrófobamente usando un aparato de transferencia durante 5 min para adsorber fuertemente la película. Fijar el sustrato de vidrio hidrófobo en paralelo en el dispositivo. Conectar el dispositivo a una etapa de alineación y se mueven perpendicularmente.
  14. Levante el sustrato horizontalmente con el aparato de transferencia y seco durante 1 día en un desiccator.

4. Optimización de cultivo de células y la adhesión celular y Desprendimiento en la Superficie de Langmuir película transferida

  1. Para preparar las suspensiones de células, células endoteliales cultura bovina de la arteria carótida (BAECs) para tercera confluencia a 37 ° C en 5% de CO2 y 95% de aire en el cultivo de tejidos de poliestireno (TCPS) con de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) que contiene 10% fetal de suero bovino (FBS) y 100 U / ml de penicilina.
  2. Después de alcanzar la confluencia, el tratamiento de BAECs con 3 ml de 0,25% de tripsina-EDTA durante 3 min a 37 ° C en 5% de CO2 y 95% de aire.
  3. Desactive la tripsina-EDTA mediante la adición de 10 ml de DMEM que contenía el 10% de FBS, y recoger la suspensión de células a un tubo cónico de 50 ml.
  4. Centrifugar a 120 xg durante 5 min, y aspirar el sobrenadante. Vuelva a suspender las células con 10 ml de DMEM.
  5. Coloque las superficies St-Ipaam bajo luz ultravioleta sobre un banco limpio para esterilizar durante 5 min.
  6. Sembrar el ce recuperadoLLS en el St-IPAAm superficies a una concentración de 1,0 x 10 4 células / cm 2 contados por un hemocitómetro desechable y observar las células en las superficies por un microscopio equipado con una incubadora a 37 ° C con 5% de CO2 y 95% aire.
    Nota: Esterilizar las superficies St-Ipaam por la luz ultravioleta equipado con una mesa de trabajo limpia.
  7. Registra imágenes con lapso de tiempo de BAECs adherentes de aproximadamente 24,5 horas a 37 ° C mediante un microscopio de contraste de fases con un aumento de 10X. Después de BAEC adhesión, ficha desprendimiento de las BAECs de la superficie St-IPAAm a 20 ° C durante aproximadamente 3,5 hr.

5. Hoja de la célula de fabricación en las superficies transferidas con película de Langmuir

  1. BAECs de cultivo utilizados en la misma forma descrita en la Sección 4.
  2. Sembrar un total de 1,0 x 10 5 células / cm 2 en superficies St-IPAAM y se incuba durante 3 días a 37 ° C en 5% de CO 2. Confluentes BAECs separa espontáneamente a 20 ° C.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

Los copolímeros de bloques compuestos de poliestireno y poli (N -isopropylacrylamide) (St-IPAAms) con pesos moleculares específicos se sintetizaron por polimerización por radicales balsa. ECT se preparó como un agente de transferencia de cadena como se describe en Moad et al. 28. Dos moléculas St-IPAAm de diferentes longitudes de cadena PIPAAm se sintetizaron, y los polímeros de bloques obtenidos se caracterizan por 1 H resonancia magnética nuclear...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

Una superficie sensible a la temperatura fue fabricado por el método de Langmuir-Schaefer, y las propiedades de la superficie para la recuperación de la adhesión celular / desprendimiento y lámina de células se optimizaron. Cuando se utiliza este método para la fabricación de superficies, varios pasos son críticos. La composición molecular de las moléculas de St-IPAAM tiene un gran efecto sobre la estructura de la superficie y la estabilidad de la superficie, y por extensión, sobre la adhesión celular y desprendimiento....

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

Todos los autores contribuyeron por igual a la redacción del manuscrito y aprobaron la versión final. Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Este estudio fue financiado por el Proyecto de Creación de Centros de Innovación para el Programa de Investigación Interdisciplinaria Avanzada para el Desarrollo de Sistemas de Innovación "Centro de Ingeniería de Tejidos de Lámina Celular (CSTEC)" del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT), Japón.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
N-isopropilacrilamidaKohjinSin número de catálogo
Azobis(ácido 4-cianovalérico)Wako Pure Chemicals016-19332
EstirenoSigma-AldrichS4972
1,3,5-trioxanoSigma-AldrichT81108
1,4-dioxanoWako Pure Chemicals045-24491
DMEMSigma D6429
PBSNakarai11482-15
EstreptomicinaGIBCO BRL15140-163
PenicilinaGIBCO BRL15140-122
Tripsina-EDTASigmaT4174
FBSJapón BiosueroJBS-11501
BAECsBanco de Recursos de Investigación en Ciencias de la Salud JCRB0099
CubreobjetosMatsunami Industria del vidrioC024501
AFM NanoScope VVeeco
1H NMR INOVA 400Varian, Palo Alto
ATR/FT-IR NICOLET 6700Thermo Scientific
GPC HLC-8320GPCTosoh
TSKgel Super AW2500, AW3000, AW4000Tosoh
Langmuir-Blodgett Comederos de deposición KSV InstrumentsKN 2002KSV NIWA Midium a través
de Nikon ECLIPSE TE2000-UNikon

Referencias

  1. Bae, Y. H., Kwon, I. C., Pai, C. M., Kim, S. W. Controlled release of macromolecules from electrical and chemical stimuli-responsive hydrogels. Makromol. Chem., Macromol. Symp. 70-71 (1), 173-181 (1993).
  2. Fu, Q., et al. Reversible control of free energy and topography of nanostructured surfaces. J. Am. Chem. Soc. 126 (29), 8904-8905 (2004).
  3. Nykanen, A., et al. Phase behavior and temperature-responsive molecular filters based on self-assembly of polystyrene-block-poly(N-isopropylacrylamide)-block-polystyrene. Macromolecules. 40 (16), 5827-5834 (2007).
  4. Sun, T., et al. Reversible switching between superhydrophilicity and superhydrophobicity. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 43 (3), 357-360 (2004).
  5. Shuler, R. L., Zisman, W. A. A Study of the behavior of Polyoxyethylene at the air-water interface by wave damping and other methods. J. Phys. Chem. 74 (7), 1523-1534 (1970).
  6. Kawaguchi, M., Sauer, B. B., Yu, H. Polymeric monolayer dynamics at the air/water interface by surface light scattering. Macromolecules. 22 (4), 1735-1743 (1989).
  7. Saito, W., Kawaguchi, M., Kato, T., Imae, T. Spreading solvent and temperature effects on interfacial properties of Poly (N-isopropylacrylamide) films at the air-water interface. Langmuir. 7463 (11), 5947-5950 (1996).
  8. Jheng, K. T., Hsu, W. P. Molecular weight effect of PMMA on its miscibility with PS-b-PEO at the air/water interface. J. App. Polym. Sci. 125 (3), 1986-1992 (2012).
  9. Biesalski, M. A., Knaebel, A., Tu, R., Tirrell, M. Cell adhesion on a polymerized peptide-amphiphile monolayer. Biomaterials. 27 (8), 1259-1269 (2006).
  10. Da Silva, A. M. P. S. G., Lopes, S. I. C., Brogueira, P., Prazeres, T. J. V., Beija, M., Martinho, J. M. G. Thermo-responsiveness of poly(N,N-diethylacrylamide) polymers at the air-water interface: The effect of a hydrophobic block. Journal of colloid interface sci. 327 (1), 129-137 (2008).
  11. Wang, S. Q., Zhu, Y. X. Facile method to prepare smooth and homogeneous polymer brush surfaces of varied brush thickness and grafting density. Langmuir. 25 (23), 13448-13455 (2009).
  12. Estillore, N. C., Park, J. Y., Advincula, R. C. Langmuir−Schaefer (LS) macroinitiator film control on the grafting of a thermosensitive polymer brush via surface initiated-ATRP. Macromolecules. 43 (16), 6588-6598 (2010).
  13. Seo, Y. S., et al. Nanowire and mesh conformations of diblock copolymer blends at the air/water interface. Nano Lett. 4 (3), 483-486 (2004).
  14. Lu, Q., Bazuin, C. G. Solvent-assisted formation of nanostrand networks from supramolecular diblock copolymer/surfactant complexes at the air/water interface. Nano lett. 5 (7), 1309-1314 (2005).
  15. Nagano, S., Matsushita, Y., Ohnuma, Y., Shinma, S., Seki, T. Formation of a highly ordered dot array of surface micelles of a block copolymer via liquid crystal-hybridized self-assembly. Langmuir. 22 (12), 5233-5236 (2006).
  16. Perepichka, I. I., Borozenko, K., Badia, A., Bazuin, C. G. Pressure-induced order transition in nanodot-forming diblock. J. Am. Chem. Soc. 133 (493), 19702-19705 (2011).
  17. Wang, X. L., Ma, X. Y., Zang, D. Y. Aggregation behavior of polystyrene-b-poly(acrylicacid) at the air-water interface. Soft Matter. 9 (2), 443-453 (2013).
  18. Yamato, M., Okano, T. Cell sheet engineering. Mater. Today. 7 (5), 42-47 (2004).
  19. Rollason, G., Daviest, J. E., Sefton, M. V. Preliminary report on cell culture on a thermally reversible copolymer. Biomaterials. 14 (2), 153-155 (1993).
  20. Park, Y. S., Ito, Y., Imanishi, Y. Permeation control through porous membranes immobilized with thermosensitive polymer. Langmuir. 14 (4), 910-914 (1998).
  21. Kwon, O. H., Kikuchi, A., Yamato, M., Okano, T. Accelerated cell sheet recovery by co-grafting of PEG with PIPAAm onto porous cell culture membranes. Biomaterials. 24 (7), 1223-1232 (2003).
  22. Kikuchi, A., Okano, T. Nanostructured designs of biomedical materials: applications of cell sheet engineering to functional regenerative tissues and organs. J. Control. Release. 101 (1-3), 69-84 (2005).
  23. Fukumori, K., et al. Characterization of ultra-thin temperature-responsive polymer layer and its polymer thickness dependency on cell attachment/detachment properties. Macromol. biosci. 10 (10), 1117-1129 (2010).
  24. Takahashi, H., Nakayama, M., Yamato, M., Okano, T. Controlled chain length and graft density of thermoresponsive polymer brushes for optimizing cell sheet harvest. Biomacromolecules. 11 (8), 1991-1999 (2010).
  25. Nakayama, M., Yamada, N., Kumashiro, Y., Kanazawa, H., Yamato, M., Okano, T. Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide)-based block copolymer coating for optimizing cell sheet fabrication. Macromol. Biosci. 12 (6), 751-760 (2012).
  26. Sakuma, M., et al. Control of cell adhesion and detachment on Langmuir-Schaefer surface composed of dodecyl-terminated thermo-responsive polymers. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 25 (5), 431-443 (2014).
  27. Sakuma, M., et al. Thermoresponsive nanostructured surfaces generated by the Langmuir-Schaefer method are suitable for cell sheet fabrication. Biomacromolecules. 15 (11), 4160-4167 (2014).
  28. Moad, G., Chong, Y. K., Postma, A., Rizzardo, E., Thang, S. H. Advances in RAFT polymerization: the synthesis of polymers with defined end-groups. Polymer. 46 (19), 8458-8468 (2005).
  29. Nishida, K., et al. Corneal Reconstruction with Tissue-Engineered Cell Sheets Composed of Autologous Oral Mucosal Epithelium. N. Engl. J. Med. 351 (12), 1187-1196 (2004).
  30. Ohki, T., et al. Prevention of esophageal stricture after endoscopic submucosal dissection using tissue-engineered cell sheets. Gastroenterology. 143 (3), 582-588 (2012).
  31. Sawa, Y., et al. Tissue engineered myoblast sheets improved cardiac function sufficiently to discontinue LVAS in a patient with DCM: report of a case. Surg. Today. 42 (2), 181-184 (2012).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Superficies termorresponsorasm todo de Langmuir Schaefercontrol de la adhesi n celularcontrol del desprendimiento celularrecuperaci n de capas celularesmicroscop a de fuerza at micas ntesis de pol merosmateriales sensibles a la temperatura

Artículos relacionados