Name: porcine collagen for tissue engineering
Uploaded: 2023-04-30T06:32:15.000Z
Duration: 7 min 25 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">
הידרוג'ל קולגן פועל כמבנה תלת מימדי תואם ביולוגית, בדומה לזה של רקמה מקומית, המאפשרת פיתוח של רקמה מהונדסת. קולגן, המרכיב העיקרי של ג'לים אלה, הוא חלבון מטריצה חוץ תאית המצוי ברקמת החיבור. והוא משמש לייצור הידרוג'לים אשר, הם רשתות פולימר תלת מימד המורכבות בעיקר ממים. וידאו זה יציג את התפקיד הפיזיולוגי של קולגן, הליך לבידוד ועיבוד של קולגן מעור חזירי, ייצור הידרוג'לים מהחלבון המטוהר, ולבסוף כמה יישומים לשימוש בהידרולג'ל קולגן אלה.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
בתוך המטריצה החוץ תאית של רקמות חיבור ישנם תאים ספציפיים האחראים על רוב ייצור הקולגן הנקרא פיברובלסטים. תאים אלה לסנתז ארוך, נוקשה, שרשראות פוליפפטיד. אשר, מורכבים לתוך פולימרים סלליים משולשים בודדים הנקראים מולקולות קולגן. מולקולות קולגן ארוזות עוד יותר לתוך סיבים עבים וגדולים יותר, אשר, לאחר מכן אפילו יותר ארוזים לתוך סיבים גדולים יותר כדי לספק שלמות מבנית מטריצה חוץ תאית עבור העומסים המכניים השונים שהוא עלול לחוות. תצורות שונות של קולגן מיוצרות על פי הצרכים המכניים של רקמות ספציפיות. רקמת העצם, למשל, משתמשת ברשת אינטנסיבית קומפקטית מאוד של סיבים כדי לעמוד בעומסים מכניים. עם זאת, רקמות אחרות, כמו דופן המעי, להשתמש במבנה מפוזר יותר. לאחר שחולץ מרקמת חיבור ניתן להשתמש בפולימר הקולגן ליצירת חומרים שונים. מכיוון שקולגן הוא פולימר הידרופילי, הוא סופג מאוד. לכן, הוא יכול ליצור הידרוג'ל, שהיא רשת פולימרים שמחזיקה עד 90% מים. רשתות פולימר אלה נוצרות על ידי הצלבת שרשראות פולימר בודדות בשיטות שונות, כגון, חוצה כימיקלים, חום או אור UV. מידת הקישור הצולב משפיעה על התכונות המכניות של ההידרוג'ל. לכן, מתן אפשרות לשימוש בחומרים אלה במגוון רחב של יישומים. כעת, לאחר שהוסברו עקרונות הידרוג'ל קולגן, בואו נבחן כיצד קולגן מופק מעור חזירי ומשמש ליצירת הידרוג'ל.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
כדי להתחיל בעיבוד קולגן מדגם עורי, יש לשטוף אותו תחילה במים מזוקקים קרים כקרח ולאחר מכן להשתמש בקרם דפילטורי להסרת צמר, פרווה או שיער. בעזרת סכין גילוח חד-צדדית, יש לגרד את המדגם נקי מרקמת חיבור ושומן, ולשטוף פעם נוספת במים קרים כקרח. לאחר מכן פורסים את דגימת העור לחתיכות בריבוע סנטימטר. כדי להסיר את החומר solubilized לא קולגן, תחילה לשקול 5 גרם של ריבועים עוריים לכל 50 מיליליטר צינור חרוט, ולאחר מכן להוסיף 30 מיליליטר של קרח קר 0.5 טוחנת נתרן אצטט לכל מדגם. ואז לערבב את הצינורות בהומוגניזר העליון ספסל. לאחר דקה אחת להשליך את supernatant ולערבב את הדגימות שוב אצטט נתרן קר קרח יותר עבור סך של שבעה מחזורי לשטוף. לאחר הכביסה האחרונה, לשטוף את המדגם במים מזוקקים קרים כקרח, ולערבב אותו עוד פעם אחת כדי להסיר את שאריות נתרן אצטט. לאחר מכן לדחוס את המדגם נגד הצינור כדי להסיר נוזל עודף ולהעביר כל מדגם עורי מעובד 5 גרם צינורות חרוט 50 מיליליטר טרי. כדי לחלץ את הקולגן לשטוף את המדגם פעמיים ב 2 מיליליטר של .075 חיץ נתרן טוחנת סיטראט לכל גרם של מדגם. להשליך את supernatants ולדחוס את הדגימות לאחר כל לשטוף הוכיח בעבר. לאחר הכביסה השנייה, מוסיפים עליקוט טרי של חיץ נתרן סיטראט, ולאחר מכן לבצע שישה מחזורי תסיסה רציפים מבלי להסיר את המאגר בין כל מחזור. עכשיו, להעביר את supernatants לצינורות איסוף בודדים ולהוסיף עוד מיליליטר אחד של .075 חיץ נתרן טוחנת ציטוט לכל גרם של מדגם לפני ביצוע מחזור תסיסה סופי. לאחר מכן, צנטריפוגה supernatant שוב במכשיר מסנן צנטריפוגלי כדי לטהר את הקולגן המופק. לבסוף, לאחסן את הקולאז 'המטוהר ב 4 מעלות צלזיוס.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
כעת, לאחר שהקולגן טוהר, הידרוג'ל קולגן יכול להיות מפוברק ומאוכלס בתאים כדי ליצור מבנה רקמות מהונדס. כדי להתחיל, מערבבים ביסודיות את הקולגן העורי המטוהר בצינור חרוט. לאחר מכן, מוסיפים את התאים מיד לתמיסת הקולגן ומניחים אותו על קרח. Pipette תערובת קר כקרח לתוך סטרילי, לא רקמה תרבית מטופלת, משטח כדי למזער את הקובץ המצורף והצמיחה של תאים מחוץ לג'ל קולגן. השתמש בקצה פיפטה כדי לפזר באופן שווה את הפתרון. אפשר הג'ל פילמור בטמפרטורת החדר במשך כ 10 עד 15 דקות. לאחר מכן, לכסות את הג'לים ולהעביר אותם לחממה 37 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות נוספות כדי לסיים פילמור. עם פילמור, הג'ל יהפוך אטום. לאחר פולימר, להוסיף שניים עד שלושה מיליליטר של מדיה. אז הידרוג'ל מאוכלס מוכן לשימוש במחקרי תרבית רקמות.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
עכשיו שלמדתם איך לבנות הידרוג'ל קולגן, בואו נסתכל על כמה יישומים מעשיים של חומרים אלה. הידרוג'ל קולגן משמשים לעתים קרובות כדי לחקות רקמה מקומית, כפי שמוצג כאן. עם זאת, שינויים בארגון סיבי הקולגן יכולים להתרחש ברקמה טבעית. וכתוצאה מכך מבנים מיושרים. כתוצאה מכך, מטריצות קולגן מהונדסות יכולות להיבנות בתצורות אקראיות או מיושרות. הידרוג'ל קולגן משמשים לעתים קרובות כפיגומי רקמות להתפתחות רקמות מלאכותיות. על ידי מתן מבנה תלת מימדי מותאם אישית לתאים לאכלס, מטריצת הקולגן מאורגנת מחדש לאחר מכן כדי לחקות את המבנה והתפקוד של רקמות אמיתיות. לדוגמה, פיגומים יכולים להיות יושבים עם osteoblasts, התאים האחראים על היווצרות העצם, כדי לארגן מחדש את המטריצה כדי דומה יותר למבנה ולתפקוד של רקמת העצם המקומית.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
הרגע צפית בהקדמה של יובה להידרולג'ל קולגן. עכשיו אתה צריך להבין את מבנה הקולגן, איך הוא מבודד, ואת הייצור של הידרוג'ל קולגן בנוסף היישומים השונים שלה בתחום הביו-הנדסה. תודה שצפיתם!
</div>

הידרוג'ל קולגן

Collagen Hydrogels

קולגן הוא עוד ביו-חומרים נפוצים שמצאו פופולריות ביישומים מסחריים, כגון צילום. קולגן שימש לאחרונה ביישומים הנדסת רקמות, על ידי יצירת הידרוג'לים המספקים מבנה לרקמות מהונדסות.
וידאו זה מציג קולגן כביו-חומרים, מדגים כיצד הוא נקטף מעור חזירי, ומראה כיצד החומר משמש ליצירת הידרוג'ל ליישומי הנדסת רקמות. לבסוף, מספר יישומים של החומר וטכניקות אלה מוצגים.

Collagen is another widely used biomaterial that has found popularity in commercial applications, such as photography. Collagen has more recently been ...

קולגן הידרוג'ל פועל כמבנה תלת מימדי תואם ביולוגית, בדומה לזה של רקמה טבעית, מה שמקל על התפתחות רקמה מהונדסת. קולגן, המרכיב העיקרי של ג'לים אלה, הוא חלבון מטריצה חוץ-תאי שנמצא ברקמת חיבור. ומשמש לייצור הידרוג'לים שהם רשתות פולימרים תלת מימדיות המורכבות בעיקר ממים. סרטון זה יציג את התפקיד הפיזיולוגי של קולגן, הליך לבידוד ועיבוד קולגן מעור חזיר, ייצור הידרוג'לים מהחלבון המטוהר, ולבסוף כמה יישומים לשימוש בהידרוג'לים קולגן אלה. בתוך המטריצה החוץ-תאית של רקמות החיבור ישנם תאים ספציפיים האחראים לרוב ייצור הקולגן הנקראים פיברובלסטים. תאים אלה מסנתזים שרשראות פוליפפטידים ארוכות ונוקשות. אשר, מורכבים לפולימרים מסודרים משולשים בודדים הנקראים מולקולות קולגן. לאחר מכן מולקולות קולגן נאגרות עוד יותר לסיבים עבים וגדולים יותר, אשר לאחר מכן נאגרים עוד יותר לסיבים גדולים יותר כדי לספק שלמות מבנית למטריצה החוץ-תאית לעומסים המכניים השונים שהיא עלולה לחוות. תצורות שונות של קולגן מיוצרות בהתאם לצרכים המכניים של רקמות ספציפיות. רקמת עצם, למשל, משתמשת ברשת אינטנסיבית קומפקטית ביותר של סיבים על מנת לעמוד בעומסים מכניים. עם זאת, רקמות אחרות, כמו דופן המעי, משתמשות במבנה מפוזר יותר. לאחר מיצוי מרקמת החיבור, ניתן להשתמש בפולימר הקולגן ליצירת חומרים שונים. מכיוון שקולגן הוא פולימר הידרופילי הוא בעל כושר ספיגה גבוה. לפיכך, הוא יכול ליצור הידרוג'ל, שהוא רשת פולימרית המחזיקה עד 90% מים. רשתות פולימרים אלו נוצרות על ידי הצלבת שרשראות פולימר בודדות בשיטות שונות, כגון, קישורים צולבים כימיים, חום או אור UV. מידת ההצלבה משפיעה על התכונות המכניות של ההידרוג'ל. לפיכך, מאפשר שימוש בחומרים אלה במגוון רחב של יישומים. כעת, לאחר שהוסברו העקרונות של קולגן הידרוג'ל, בואו נסתכל על האופן שבו קולגן מופק מעור חזיר ומשמש ליצירת הידרוג'ל. כדי להתחיל בעיבוד הקולגן מדגימת עור, יש לשטוף אותו תחילה במים מזוקקים קרים כקרח ולאחר מכן להשתמש בקרם אפילציה לצמר, פרווה או הסרת שיער. בעזרת סכין גילוח חד קצוות, מגרדים את הדגימה מרקמת חיבור ושומן, ושוטפים פעם נוספת במים קרים כקרח. לאחר מכן פורסים את דגימת העור לחתיכות מרובעות בסנטימטר. כדי להסיר את החומר המסיס שאינו קולגני, שקלו תחילה 5 גרם של ריבועי עור לכל צינור חרוטי של 50 מיליליטר, ולאחר מכן הוסיפו 30 מיליליטר נתרן אצטט קר כקרח לכל דגימה. לאחר מכן מערבבים את הצינורות בהומוגנייזר ספסל. לאחר דקה אחת השליכו את הסופרנטנט וערבבו את הדגימות שוב בנתרן אצטט קר כקרח בסך הכל שבעה מחזורי שטיפה. לאחר הכביסה האחרונה, שטפו את הדגימה במים מזוקקים קרים כקרח, וערבבו אותה פעם נוספת כדי להסיר את שאריות הנתרן אצטט. לאחר מכן דחוס את הדגימה כנגד הצינור כדי להסיר עודפי נוזלים ולהעביר כל דגימת עור מעובדת של 5 גרם לצינורות חרוטיים טריים של 50 מיליליטר. כדי לחלץ את הקולגן, שטפו את הדגימה פעמיים ב-2 מיליליטר של מאגר נתרן ציטראט מולארי 0.075 לגרם דגימה. השליכו את הסופרנטנטים ודחסו את הדגימות לאחר כל שטיפה שהודגמה בעבר. לאחר הכביסה השנייה, הוסף מנה טרייה של מאגר נתרן ציטראט, ולאחר מכן בצע שישה מחזורי תסיסה עוקבים מבלי להסיר את המאגר בין כל מחזור. כעת, העבירו את הסופרנטנטים לצינורות איסוף בודדים והוסיפו מיליליטר נוסף של 0.075 מולרי נתרן ציטראט בופר לגרם דגימה לפני ביצוע מחזור תסיסה סופי. לאחר מכן, צנטריפוגה את הסופרנטנט שוב במכשיר סינון צנטריפוגלי כדי לטהר את הקולגן המופק לבסוף, אחסן את הקולאז' המטוהר ב -4 מעלות צלזיוס. כעת, לאחר טיהור הקולגן, ניתן לייצר קולגן הידרוג'ל ולאכלס אותו בתאים ליצירת רקמה מהונדסת. כדי להתחיל, מערבבים היטב את הקולגן העורי המטוהר בצינור חרוטי. לאחר מכן, הוסיפו את התאים מיד לתמיסת הקולגן והניחו אותה על קרח. פיפטו את התערובת הקרה כקרח למשטח סטרילי, שאינו מטופל ברקמות, כדי למזער את ההתקשרות והצמיחה של תאים מחוץ לג'ל הקולגן. השתמש בקצה פיפטה כדי לפזר את התמיסה באופן שווה. הניחו לג'ל להתפלמר בטמפרטורת החדר למשך כ-10 עד 15 דקות. לאחר מכן, מכסים את הג'לים ומעבירים אותם לחממה של 37 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות נוספות לסיום הפילמור. עם הפילמור, הג'ל יהפוך אטום. לאחר הפילמור, הוסף שניים עד שלושה מיליליטר מדיה. ואז ההידרוג'ל המאוכלס מוכן לשימוש במחקרי תרביות רקמות. כעת, לאחר שלמדתם כיצד לבנות הידרוג'לים של קולגן, בואו נסתכל על כמה יישומים מעשיים של חומרים אלה. לעתים קרובות משתמשים בהידרוג'לים של קולגן לחיקוי רקמות טבעיות, כפי שמוצג כאן. עם זאת, שינויים בארגון סיבי הקולגן יכולים להתרחש ברקמות טבעיות. וכתוצאה מכך מבנים מיושרים. כתוצאה מכך, ניתן לבנות מטריצות קולגן מהונדסות בתצורות אקראיות או מיושרות. הידרוג'לים של קולגן משמשים לעתים קרובות כפיגומי רקמות להתפתחות רקמות מלאכותיות. על ידי מתן מבנה תלת מימדי מותאם אישית לתאים, מטריצת הקולגן מאורגנת מחדש לאחר מכן כדי לחקות את המבנה והתפקוד של רקמה אמיתית. לדוגמא, ניתן לשבת פיגומים עם אוסטאובלסטים, התאים האחראים להיווצרות העצם, כדי לארגן מחדש את המטריצה כך שתדמה יותר למבנה ולתפקוד של רקמת העצם הילידית. זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לקולגן הידרוג'ל. כעת עליכם להבין את מבנה הקולגן, כיצד הוא מבודד ואת הייצור של הידרוג'לים קולגן בנוסף ליישומים השונים שלו בתחום הביו-הנדסה. תודה שצפית!

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

porcine collagen for tissue engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure.

This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications.

The video also shows several applications of collagen and the methods used to make these hydrogels. It highlights how a natural material can be processed into a scaffold-like form for building tissue models.

Porcine Collagen for Tissue Engineering

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

This collection covers core bioengineering concepts, which include production of biomaterials, histotypic and whole organ tissue cultures, bioprocessing techniques, and the complex system-level fields of bioMEMs and biosensing.


Explore how collagen from porcine skin is prepared into hydrogels for tissue engineering, with examples of its uses and commercial background in photography.

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Description

Transcript