Poniższy protokół przedstawia metodę wytłaczania opartą na ścinaniu do produkcji hydrożeli kolagenowych z nanoskalowymi wzorzystymi włókienkami, które mogą być stosowane w szerokim zakresie zastosowań inżynierii tkankowej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Poniższy protokół przedstawia metodę wytłaczania opartą na ścinaniu do produkcji hydrożeli kolagenowych z nanoskalowymi wzorzystymi włókienkami, które mogą być stosowane w szerokim zakresie zastosowań inżynierii tkankowej.
Biomateriały regeneracyjne są zaprojektowane tak, aby ułatwiać interakcje komórka-materiał, aby kierować naprawą uszkodzonych tkanek i organów. Materiały te mają na celu naśladowanie właściwości biofizycznych tkanki rodzimej, zapewniając komórkowe wskazówki fenotypowe i morfologiczne, które przyczyniają się do odbudowy niszy tkanki regeneracyjnej. Kolagen, rozpowszechnione białko macierzy zewnątrzkomórkowej, jest powszechnym składnikiem tych regeneracyjnych biomateriałów ze względu na swoją biokompatybilność i inne korzystne właściwości. Obecne badanie opisuje nowatorską i prostą metodę wytwarzania zmodyfikowanego kolagenu nanofibrylarnego z ukierunkowanym wzorem włókienek. Poprzez manipulację naprężeniami ścinającymi, temperaturą i pH, fibrylogeneza i wyrównanie kolagenu są precyzyjnie kontrolowane bez konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu. Takie podejście pozwala na tworzenie nanofibrylarnych biomateriałów kolagenowych, które naśladują natywną strukturę tkanek wykazujących cechy anizotropowe lub izotropowe. Elastyczność modelowania nanowłókien kolagenowych nie tylko ułatwia badanie wzorców nanoskalowych na zachowaniu komórek, ale także oferuje różnorodne możliwości zastosowań w inżynierii tkankowej.
Celem medycyny regeneracyjnej jest poprawa regeneracji i gojenia tkanek poprzez zastosowanie zaawansowanych środków terapeutycznych. Jedno z podejść polega na wytwarzaniu konstruktów biomateriałowych, które ściśle naśladują skład i strukturę tkanek natywnych. Podczas projektowania tych konstrukcji kluczową kwestią jest natywna podstawowa macierz zewnątrzkomórkowa (ECM), która dostarcza wskazówek instruktażowych dotyczących proliferacji, migracji i różnicowania komórek, ostatecznie napędzając regenerację tkanek1,2. Natywny ECM składa się głównie z fibrillar collagen3,4. W wysoce zorganizowanych tkankach, takich jak mięśnie szkieletowe i ścięgna, te ECM wykazują wyrównany wzór, który jest kluczem do wspierania przenoszenia siły przez tkankę, a także funkcji motorycznych5,6.
Użyteczność kolagenu jako biomateriału do zastosowań w inżynierii tkankowej wykracza poza jego szerokie rozpowszechnienie w tkankach natywnych, ponieważ wykazuje on również dobrą biokompatybilność, biodegradowalność i powinowactwo komórkowe7,8,9. Ostatnie postępy w rozwoju biomateriałów na bazie kolagenu skupiły się na udoskonaleniu właściwości biofizycznych, aby lepiej kierować mechanicznymi i biochemicznymi sygnałami, które są niezbędne do regeneracji określonych tkanek. Tworzenie biomateriałów kolagenowych o strukturze fibrylarnej in vitro jest stosunkowo proste, ponieważ rozpuszczalne w kwasach cząsteczki kolagenu są zdolne do samoorganizacji w nanofibryle pod wpływem wysokich temperatur i neutralnego pH10,11. Jednak bez sterowanej manipulacji włókna te uformują się w losowe sieci, co sprawi, że nie będą odpowiednie do zastosowań w anizotropowej inżynierii tkankowej. Techniki zdolne do wytwarzania wyrównanych włókien obejmują elektroprzędzenie i przędzenie na mokro, wraz z innymi technikami wytłaczania roztworu12,13, liofilizacja14, produkcja elektrochemiczna lub magnetyczna15,16, osadzanie metodą ścinania17, krystalizacja wywołana przepływem18, wytłaczanie żelu19, wyrównanie wywołane odkształceniem20, oraz wyrównanie sterowane siłą poprzez manipulację przepływem płynu21,22. Jednak wiele z tych metod albo nie jest wysoce kompatybilnych z kolagenem, albo powoduje wyrównanie w mikroskali, ale nie w nanoskali, albo wymaga dodatkowych etapów przetwarzania końcowego w celu wywołania wyrównania i stabilności, albo wymaga wysoce specjalistycznego sprzętu i odczynników, co sprawia, że ich powszechne zastosowanie jest wyzwaniem.
Obecne badanie przedstawia łatwą metodę wytwarzania kolagenu nanofibrylarnego opartą na ścinaniu, z wyrównanym lub losowo zorientowanym wzorem włókienek, bez potrzeby stosowania specjalistycznego sprzętu, takiego jak pompy strzykawkowe czy elektroprzędzarki. Technika ta wykorzystuje zależność fibrylogenezy kolagenu od pH. Zastosowanie siły ścinającej do kwaśnego kolagenu monomerycznego w buforze neutralizującym sprzyja wyrównanej fibrylogenezie wzdłuż kierunku ścinania. Podobnie kolagen może zostać nakłoniony do fibrylogenezy przy braku ścinania, które wytwarza fibryle o losowych wzorach. Powstałe w ten sposób paski kolagenu 3D, składające się z wyrównanego lub losowo wzorzystego kolagenu nanofibrylarnego, mogą służyć jako narzędzia do badania wpływu wzorców w nanoskali na zachowanie komórek. Ponadto oferują różnorodne możliwości zarówno dla anizotropowych, jak i izotropowych zastosowań inżynierii tkankowej23,24,25,26,27. Wzór można dostosować do struktury interesującej nas tkanki natywnej. Paski kolagenu mogą być również łączone w wiązki o różnych rozmiarach, aby służyć jako przeszczepiony środek terapeutyczny w różnych rozmiarach i kształtach urazów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie dializowanego kolagenu ( Rysunek 1)
2. Przygotowanie wiórów szklanych ( Rysunek 1)
UWAGA: Korzystaj z ochrony oczu w tej części protokołu.
UWAGA: Specjalnie powlekane szkiełka hydrofobowe są używane do eksperymentów z hodowlą komórkową. Prowadnice muszą być trzymane za krawędzie, aby zapobiec usunięciu powłoki powierzchniowej. Procedurę cięcia szkła należy wykonać na odpowiedniej powierzchni do cięcia.
3. Przygotowanie 10x soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS)
4. Wytwarzanie wyrównanych nanowłókien kolagenowych (Rysunek 2)
5. Wytwarzanie losowych nanowłókien kolagenowych (Rysunek 3)
6. Sterylizacja i ponowne nawodnienie
UWAGA: Wykonaj wszystkie poniższe kroki w komorze bezpieczeństwa biologicznego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejszy protokół opisuje prostą technikę ekstruzji opartą na ścinaniu, służącą do wytwarzania hydrożeli kolagenowych składających się z nanofibryli zorientowanych albo równolegle (Rycina 2), albo w sposób losowy (Rycina 3). Wzorowanie nanofibryli opiera się na precyzyjnej kontroli sił ścinania, co osiąga się poprzez jednoczesną modulację prędkości strzykawki i szybkości ekstruzji kolagenu. Optymalne wartości indukujące wyrównanie fibryli zostały wcześniej okre...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Krytyczne etapy protokołu można podzielić na trzy główne części: 1) fibrylogenezę kolagenu, 2) montaż hydrożelu i 3) mycie. Proces fibrylokenezy kolagenu zachodzi spontanicznie w warunkach neutralizujących i polega na samoorganizacji pojedynczych cząsteczek kolagenu w większe ustabilizowane struktury fibrylarne10,11. Osiąga się to poprzez zastosowanie neutralizującego buforowanego podłoża, takiego jak 10x PBS, które jest podgrzewane do 37 °C i ma kluczowe znaczen...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie ma żadnych konfliktów interesów, które można by zadeklarować.
To badanie było częściowo wspierane przez fundusze Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training, MTF Biologics, Oregon Health & Science University Foundation oraz Collins Medical Trust. K.M.H. był wspierany przez National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-1937961) oraz Oregon Students Learn and Experience Research (OSLER) Fellowship (5TL1TR2371-8). K.H.N. był wspierany przez granty z NIH/NHLBI (R00HL136701) oraz NIH/NIAMS (R01AR080150).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kolagen I, Wysokie stężenie, Ogon szczura | Corning | CB354249 | |
| Eclipse TE-2000-U | mikroskop Nikon | TE-2000-U | Mikroskop odwrócony |
| Bardzo grube szkiełka mikroskopowe | Fisher Scientific | 22-267-005 | Działa dobrze na powierzchni wytłaczania kolagenu |
| FEI Helios G3 NanoLab DualBeam | Thermo Fisher Scientific | Skaningowy mikroskop elektronowy | N/A |
| Zestaw narzędzi do cięcia szkła 2mm-20mm Ołówek w stylu ołówka Końcówka z węglika spiekanego | Amazon / MOARMOR | B07Y1D243H | Opcja dla noża do szkła |
| Hamilton Kel-F Hub Blunt Point Needles (Luer Lock, 22 G) | Fisher Scientific | 14-815-574 | Igły do wytłaczania kolagenu |
| Nexterion Slide H 3-D | Schott | NC0782819 | Szkiełka hydrofobowe |
| Tabletki PBS | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | |
| Glikol polietylenowy 8000 | Fisher BioReagents | BP233-1 | |
| Bezszwowe rurki do dializy celulozowej | Fisher Scientific | S25645G | |
| Klipsy do dializy SnakeSkin | Thermo Fisher Scientific | PI68011 | |
| Synthware Nóż do szkła | Synthware | 31-501-927 | Opcja do noża do szkła |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.