Neuen biofabrication-Methode erstellt ein Gerüst to guide regeneration von mehreren Geweben
Organe, Muskeln und Knochen sind aus mehreren Arten von Zellen und Gewebe, sorgfältig organisiert die Durchführung einer spezifischen Funktion. Zum Beispiel, die Nieren filtern Abfälle aus dem Blut, weil Ihre spezialisierten Zellen und Geweben angeordnet sind. Stören diese Organisation dramatisch beeinflusst, wie Zellen und Gewebe, die tun Ihre Arbeit effektiv.
Ein weiteres Beispiel ist der Gelenkknorpel, die vorhanden ist, wo Knochen treffen an den Gelenken. Diese Art von Knorpel liefert ein Polstermaterial zum schützen der enden der Knochen und ist eng integriert mit den Knochen durch ein Gradienten-region, bekannt als der osteochondralen interface—osteo bedeutet im Zusammenhang mit Knochen, chondral Bezug auf Knorpel. Wenn der Gelenkknorpel ist nicht vorhanden oder beschädigt ist, lähmenden Schmerzen Ergebnisse.
Anders als einige Gewebe, Knorpel kann nicht regenerieren. Es fehlt Blutgefäße zu unterstützen, wie Sie zu reparieren. Nach Verletzungen oder Schäden, die Knorpel-degeneration fortschreitet, was zu Arthrose, die sich auf etwa 27 Millionen Amerikaner.
„Medizinische intervention ist der einzige Weg, um sich zu regenerieren osteochondralen Gewebes“, sagt Lesley Chow, assistant professor of Materials Science & Engineering und Bioengineering an der Lehigh University. „Um erfolgreich zu regenerieren diese Knorpel und machen es funktional, wir müssen die Tatsache berücksichtigen, dass die Funktion sowohl in Bezug auf die Knorpel und die Knochen. Wenn sich der Knorpel nicht über einen guten Anker, es ist sinnlos. Sie regenerieren konnten schöne Knorpel, aber es wird nicht das Letzte mal, wenn es nicht verankert, dass der Knochen unmittelbar unterhalb es.“
Dies stellt eine große technische Herausforderung, sagt Chow, wie es ist schwierig, erstellen ein organ aus zwei ganz verschiedenen Geweben. Was benötigt wird, ist ein tissue-engineering-Methode, beachtet die multi-Komponente und organisatorischer Natur, wie Gewebe bilden in der Natur, sagt Sie, und ergänzt: „Dann würden wir die Fähigkeit haben, etwas zu schaffen, das dauerhaft.“
Chow-Chow hat einen großen Schritt im Feld der Bemühungen zur Bewältigung dieser Herausforderung. Sie und Ihr team an Der Chow-Lab “ an der Lehigh haben gezeigt, eine neue Methode zur Herstellung Gerüste präsentiert, die sich räumlich organisiert cues zu Steuern Zelle Verhalten, lokal in einem material. Ihre proof-of-concept-Papier, erschienen in Biomaterials Science, heißt: „3-D-Druck mit Peptid-polymer-Konjugate für die single-step-Herstellung von räumlich funktionalisierte Gerüste.“ Diese Arbeit wurde unter Leitung von Lehigh Doktoranden Paula Camacho (Bioingenieurwesen) und Hafiz Busari (Materials Science & Engineering) mit co-Autoren Kelly Seims (Materials Science & Engineering), Peter Schwarzenberg (Maschinenbau & Mechanik) und Hannah L. Dailey, assistant professor für Maschinenbau und Mechanik an der Lehigh. Ihre Veröffentlichung zeigt, wie Sie Ihre Plattform kann verwendet werden, um kontinuierliche, gut organisierte scaffolds zur Regeneration von zwei verschiedenen Geweben, wie z.B. in der osteochondralen-Schnittstelle.
Chow ‚ s lab erstellt biomaterial scaffolds aus biologisch abbaubaren Polymeren, die langen Ketten der Moleküle, die im Laufe der Zeit verschlechtern im Körper. Gerüste sind weit verbreitet in tissue engineering zu bieten Zellen mit strukturellen Unterstützung, als auch Chemische Signale, „sagen“ die Zellen, welche Art von Zelle oder Gewebe zu bilden. Verwendet in den frühen Phasen der regeneration von Geweben, die Gerüste sind entworfen, um in den Körper implantiert und dann abbauen als neues Gewebe bildet.
Chow-team mithilfe von 3-D-Druck-Technologie zur Steuerung der Ablagerung der „Tinten“ mit unterschiedlichen material-Kompositionen. Diese Farben werden vorbereitet durch das mischen von einem biologisch abbaubaren polymer mit Peptid-modifizierten Polymeren. Die Peptide, die aus Aminosäuren, liefern der bioaktiven Hinweise zu den Zellen.
„Wir wissen aus Literatur und Natur, welche die Aminosäure-Sequenzen, die wir wollen“, sagt Chow. „Wir können ein segment, dass wir wissen, spielt eine spezifische und wichtige Rolle in sagen, Zellen wachsen, Gewebe und, in einem gewissen Sinne, stehlen aus der Natur. Wir nehmen ein Peptid und bringen Sie es auf ein polymer, und hinzufügen, dass, während wir bauen unsere Gerüste. Wir verwenden 3-D-Druck als eine Möglichkeit zur Steuerung der Organisation dieser Peptid-funktionalisierte Polymere als auch das Gerüst, die Architektur.“
Nachdem das team fabriziert das Gerüst, Sie „samenkorn“ mit Zellen, wie humanen mesenchymalen Stammzellen, die können werden „überredet“, die in Reaktion auf die Peptide in immer verschiedenen Zelltypen.
Als Chow erklärt, die änderung der scaffold-Eigenschaften ist einfach eine Frage der änderung der Tinten in den Drucker geladen. Das team ändern können Peptid-Konzentration sowie der Standort, und Sie können dies tun, mit mehr als einer Tinten-Zusammensetzung.
„Was wir tun, ist die Schaffung eines Umfelds, das fördert die regeneration von zwei verschiedenen Geweben gleichzeitig in ein Gerüst“, sagt Chow. „Wir machen ein Gerüst, dass die richtigen cues—eine, fördert Knorpel, eine, fördert die Knochen—alles in einem material. Sie haben dann ein Einzel-Gerüst, wo Sie nicht haben, um sorgen über einen mechanischen Fehler an der Oberfläche, weil Sie aus einem material, anstatt „kleben“ zwei getrennte Gerüste zusammen und nur das beste zu hoffen.“
In dem Papier zeigen die Autoren die Effizienz Ihrer Methode mit zwei sehr bekannten Peptide. Sie beschreiben, wie Peptid-modifizierte polymer-Konjugate wurden synthetisiert, die mit der zelladhäsion Motiv RGDS oder seine negativ-Kontrolle RGES. Um zu demonstrieren, räumliche Steuerung von Peptid-Funktionalisierung, mehrere Druckköpfe verwendet wurden, um zu drucken beide Konjugate in das gleiche Konstrukt in wechselnden mustern. Wie vorgesehen, werden die Zellen bevorzugt befestigt und verteilen sich auf RGDS(biotin)-polymer-Konjugat-Fasern im Vergleich zu RGES(azid)-polymer-Konjugat-Fasern. Dies illustriert, wie Geo-Peptid-Funktionalisierung beeinflusst lokalen Zelle Verhalten innerhalb eines einzigen Biomaterials. Diese preferential attachment zeigt, dass die Technik, die hat echtes potential für die Erstellung von Gerüsten, mit denen Wissenschaftler direct“, wo die Zellen gehen zu halten.“
Nach Chow, die meisten Gerüst-Herstellung Techniken umfassen die änderung, nachdem es erstellt wird, was dazu führen kann, die zu unerwünschten Ergebnissen, wie der Verteilung von Chemikalien in einer einheitlichen Konzentration. Dennoch, nativen Geweben sind nicht auf diese Weise organisiert.
„Unsere Plattform ist so konzipiert, wirklich Steuern, wie sich Zellen organisieren sich selbst“, sagt Chow. „Es ist wie ein Haus zu bauen und dann zu sehen, welches Haus die Zellen am besten gefällt. Und, wir fanden, dass die Zellen wirklich bemerken. Sie merken, die zwei verschiedene cues. Sie merken, ob die cues sind organisiert oder nicht organisiert.“
„Es ist so wichtig für uns zu haben, fine-tuned Steuerung, damit die Zellen das tun, was wir von Ihnen wollen,“ fügt Camacho.
Eine Camacho aktuellen Projekte ist die Anwendung, die die Mannschaft, das Gerüst biofabrication-Plattform-Ingenieur osteochondralen Gewebes Bildung. Camacho und Ihre Kollegen Kultur der Zelle-gesäte Gestelle in einem Inkubator gehalten bei Körpertemperatur (37 C oder 98.6 F) mit 5% Kohlendioxid, um imitieren die Bedingungen in den menschlichen Körper. Sie bewerten, welche Art von Gewebe bildet und wie Verhalten sich die Zellen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Dieser bietet Ihnen einen Einblick in die Gerüste sind wahrscheinlich, um erfolgreich zu sein.
„Im Moment Teste ich zwei verschiedene Peptide“, sagt Camacho. „Man ist zu verleiten, die mesenchymale Stammzellen zur Differenzierung in Chondrozyten oder Knorpelzellen. Und das andere Peptid ist zu versuchen, um Sie zu unterscheiden in den Knochen. Ich Baue diese Gerüste mit einem Peptid oder beide Peptide, die organisiert sind in verschiedenen Arten. Und ich will sehen, wie die Zellen darauf reagieren—wenn Sie mögen eine mehr als der andere. Ich charakterisieren, was Sie tun bis zu 42 Tagen in Kultur.“
Während das team auf ein paar konkrete Projekte, einschließlich der osteochondralen Arbeit, Ihr Ziel ist es für andere Forscher in der Lage sein, die Nutzung der Plattform und letztlich dazu bewegen das Feld nach vorne.