Het volgende protocol presenteert een op afschuiving gebaseerde extrusiemethode voor de fabricage van collageenhydrogels met fibrillen met nanoschaalpatronen, die kan worden toegepast op een breed scala aan weefselengineeringtoepassingen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Het volgende protocol presenteert een op afschuiving gebaseerde extrusiemethode voor de fabricage van collageenhydrogels met fibrillen met nanoschaalpatronen, die kan worden toegepast op een breed scala aan weefselengineeringtoepassingen.
Regeneratieve biomaterialen zijn ontworpen om interacties tussen cellen en materialen te vergemakkelijken om het herstel van beschadigde weefsels en organen te begeleiden. Deze materialen zijn ontworpen om de biofysische eigenschappen van natuurlijk weefsel na te bootsen en cellulaire fenotypische en morfologische begeleiding te bieden die bijdraagt aan het herstel van de regeneratieve weefselniche. Collageen, een veel voorkomend extracellulair matrixeiwit, is een veelgebruikt bestanddeel van deze regeneratieve biomaterialen vanwege de biocompatibiliteit en andere gunstige eigenschappen. De huidige studie beschrijft een nieuwe en eenvoudige methode voor de fabricage van gemanipuleerd nanofibrillair collageen met gerichte fibrilpatronen. Door de manipulatie van schuifspanning, temperatuur en pH worden collageenfibrillogenese en uitlijning nauwkeurig gecontroleerd zonder dat er gespecialiseerde apparatuur nodig is. Deze benadering maakt het mogelijk om nanofibrillaire collageenbiomaterialen te creëren die de natuurlijke structuur van weefsels nabootsen die anisotrope of isotrope kenmerken vertonen. De flexibiliteit in patroonvorming van collageennanofibrillen vergemakkelijkt niet alleen de studie van patroonvorming op nanoschaal op celgedrag, maar biedt ook diverse mogelijkheden voor toepassingen van weefselmanipulatie met patronen.
Het doel van regeneratieve geneeskunde is het verbeteren van weefselregeneratie en genezing door de toepassing van gemanipuleerde therapieën. Eén benadering omvat de fabricage van biomateriaalconstructies die de samenstelling en structuur van natuurlijke weefsels nauw nabootsen. Bij het ontwerpen van deze constructies is een kritische overweging de natuurlijke onderliggende extracellulaire matrix (ECM), die instructieve aanwijzingen geeft voor celproliferatie, migratie en differentiatie, en uiteindelijk weefselregeneratie aanstuurt 1,2. De natieve ECM bestaat voornamelijk uit fibrillair collageen 3,4. In sterk georganiseerde weefsels zoals skeletspieren en pees vertonen deze ECM's een uitgelijnd patroon, wat essentieel is voor het ondersteunen van de krachtoverdracht over het weefsel en de motorische functie 5,6.
Het nut van collageen als biomateriaal voor weefselmanipulatietoepassingen gaat verder dan de uitgebreide prevalentie in natuurlijke weefsels, omdat het ook een goede biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid en celaffiniteit vertoont 7,8,9. Recente ontwikkelingen in de ontwikkeling van op collageen gebaseerde biomaterialen zijn gericht op de verfijning van biofysische eigenschappen om de mechanische en biochemische signalen die essentieel zijn voor specifieke weefselregeneratie beter te begeleiden. Het maken van collageenbiomaterialen met een fibrillaire structuur in vitro is relatief eenvoudig, aangezien in zuur oplosbare collageenmoleculen in staat zijn om zichzelf te assembleren tot nanofibrillen wanneer ze worden blootgesteld aan warme temperaturen en een neutrale pHvan 10,11. Zonder geleide manipulatie zullen deze fibrillen zich echter vormen tot willekeurige netwerken, waardoor ze ongeschikt worden voor anisotrope weefselmanipulatietoepassingen. Technieken die in staat zijn om uitgelijnde fibrillen te produceren, zijn onder meer elektrospinnen en natspinnen, samen met andere oplossingsextrusietechnieken12,13, vriesdrogen14, elektrochemische of magnetische fabricage15,16, afschuifstroomafzetting17, door stroming geïnduceerde kristallisatie18, gel-extrusie19, door rek geïnduceerde uitlijning20 en krachtgeleide uitlijning door de manipulatie van vloeistof debiet21,22. Veel van deze methoden zijn echter niet erg compatibel met collageen, produceren uitlijning op microschaal maar niet op nanoschaal, vereisen extra nabewerkingsstappen om uitlijning en stabiliteit te induceren of vereisen zeer gespecialiseerde apparatuur en reagentia, waardoor hun wijdverbreide acceptatie uitdagend wordt.
De huidige studie presenteert een gemakkelijke, op afschuiving gebaseerde methode voor de fabricage van nanofibrillair collageen, met uitgelijnde of willekeurig georiënteerde fibrilpatronen, zonder dat er gespecialiseerde apparatuur zoals spuitpompen of elektrospinners nodig zijn. Deze techniek maakt gebruik van de pH-afhankelijkheid van collageenfibrillogenese. Toepassing van afschuifkracht op zuur monomeer collageen in een neutraliserende buffer bevordert uitgelijnde fibrillogenese in de richting van de afschuiving. Evenzo kan collageen worden geïnduceerd om fibrillogenese te ondergaan in afwezigheid van afschuiving, waardoor fibrillen met willekeurige patronen worden geproduceerd. De resulterende 3D-collageenstrips, bestaande uit uitgelijnd of willekeurig gevormd nanofibrillair collageen, kunnen dienen als hulpmiddelen om de effecten van patronen op nanoschaal op celgedrag te bestuderen. Bovendien bieden ze diverse mogelijkheden voor zowel anisotrope als isotrope weefselengineeringtoepassingen 23,24,25,26,27. Het patroon kan worden aangepast aan de structuur van het natuurlijke weefsel van belang. De collageenstrips kunnen ook worden gecombineerd tot bundels van verschillende grootte om te dienen als een getransplanteerd gemanipuleerd therapeutisch middel in verschillende maten en vormen van verwondingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Bereiding van gedialyseerd collageen ( Figuur 1)
2. Bereiding van glassnippers ( Figuur 1)
LET OP: Gebruik oogbescherming voor dit deel van het protocol.
OPMERKING: Speciaal gecoate hydrofobe glasdia's worden gebruikt voor celkweekexperimenten. De geleiders moeten aan de randen worden gehanteerd om te voorkomen dat de oppervlaktelaag wordt verwijderd. Voer de glassnijprocedure uit op een geschikt snijoppervlak.
3. Bereiding van 10x fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS)
4. Fabricage van uitgelijnde collageennanofibrillen (Figuur 2)
5. Fabricage van willekeurige collageennanofibrillen (Figuur 3)
6. Sterilisatie en rehydratatie
OPMERKING: Voltooi alle volgende stappen in een bioveiligheidskast
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit protocol beschrijft een eenvoudige extrusietechniek op basis van afschuiving voor de fabricage van collageenhydrogels die zijn samengesteld uit uitgelijnde (Figuur 2) of willekeurig (Figuur 3) georiënteerde nanofibrillen. Nanofibrilpatronen zijn gebaseerd op de nauwkeurige regeling van schuifkrachten, die wordt bereikt door de gecombineerde modulatie van spuitsnelheid en collageenextrusiesnelheid. Optimale waarden voor het i...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De kritieke stappen van het protocol kunnen worden gedestilleerd in drie hoofdonderdelen: 1) collageenfibrillogenese, 2) hydrogelmontage en 3) wassen. Het proces van collageenfibrillogenese vindt spontaan plaats onder neutraliserende omstandigheden en is afhankelijk van de zelfassemblage van individuele collageenmoleculen tot grotere gestabiliseerde fibrillaire structuren10,11. Dit wordt bereikt door de toepassing van een neutral...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Er zijn geen belangenconflicten te melden.
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door financiering van de Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training, MTF Biologics, de Oregon Health & Science University Foundation en de Collins Medical Trust. K.M.H. werd ondersteund door de National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-1937961) en de Oregon Students Learn and Experience Research (OSLER) Fellowship (5TL1TR2371-8). K.H.N. werd ondersteund door subsidies van de NIH/NHLBI (R00HL136701) en NIH/NIAMS (R01AR080150).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Collagen I, High Concentration, Rat Tail | Corning | CB354249 | |
| Eclipse TE-2000-U microscoop | Nikon | TE-2000-U | Omgekeerd microscoop |
| Extra Dikke Microscoopglazen | Fisher Scientific | 22-267-005 | Werkt goed voor collageen extrusie oppervlak |
| FEI Helios G3 NanoLab DualBeam | Thermo Fisher Scientific | N/A | Scannende elektronenmicroscoop |
| Glas Snijgereedschap Set 2mm-20mm Potloodstijl Olievoeding Carbide Tip | Amazon/MOARMOR | B07Y1D243H | Optie voor een glas snijder |
| Hamilton Kel-F Hub Blunt Point Naalden (Luer Lock, 22 G) | Fisher Scientific | 14-815-574 | Naalden voor collageen extrusie |
| Nexterion Slide H 3-D | Schott | NC0782819 | Hydrofobe glijbanen |
| PBS Tabletten | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | |
| Polyethyleen Glycol 8000 | Fisher BioReagents | BP233-1 | |
| Naadloze Cellulose Dialyse Slangen | Fisher Scientific | S25645G | |
| SnakeSkin Dialyse Clips | Thermo Fisher Scientific | PI68011 | |
| Synthware Glas Snijgereedschap | Synthware | 31-501-927 | Optie voor een glas snijder |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.