Gemakkelijke manipulatie van platforms in op basis van eiwitten Hydrogels voor cel cultuur toepassingen

Hydrogels zijn materialen die vormen van onoplosbare 3D netwerken kunnen grote hoeveelheden water bindend. Dergelijke materialen bieden uitstekende omgevingsvoorwaarden voor levende cellen. Op dit moment, er is steeds meer belangstelling in de generatie van driedimensionale hydrogel structuren en de ontwikkeling van procédés voor het aanpassen van hun chemische en fysische eigenschappen. Zodra dit gebeurt, kan een sjabloon voor de groei van cellen en de manipulatie van cellulaire gedrag gegenereerde^1,2,3,4. Deze 3D structuren niet alleen maakt een meer natuurlijke en realistische omgeving dan conventionele tweedimensionale benaderingen, maar ze ook onthullen nieuwe mogelijkheden voor de groei van stamcellen of tumor⁵modellen. Verschillende materialen bezitten een aantal kenmerken die vooral afhankelijk zijn van de poriegrootte van het gel-⁶. De poriën spelen een cruciale rol in de gestuurde groei van stamcellen cel cultuur toepassingen en weefselkweek. Bijvoorbeeld, zuurstof en voedingsstoffen verspreiden via de matrix, en voldoende hoeveelheden moeten kunnen bereiken van de cellen⁷. Aan de andere kant, schadelijke metabolieten moeten zo spoedig mogelijk worden verwijderd, en moet voldoende ruimte bieden voor celgroei beschikbaar⁷. Bijgevolg beïnvloeden de eigenschappen van het materiaal, en dus de poriegrootte, ernstig de potentiële voordelen en mogelijke toepassingen van de matrix. Afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, kunnen verschillende celgroei processen optreden in de 3D-celkweek, met inbegrip van de vorming van neuronale structuren; de groei en differentiatie van huid of bot cellen; en de gestuurde groei van speciale stamcellijnen, zoals hepatocyten of fibroblasten^{2,3,8,9,10,11}. Een ander cruciaal punt beïnvloeden de eventuele toepassing van een materiaal, is zijn stabiliteit naar externe prikkels¹². Bijvoorbeeld, moet de hydrogel zijn mechanische integriteit in cel voedingsbodems of het menselijk lichaam.

In de afgelopen jaren onderzoek naar 3D cel cultuur hydrogels geïntensiveerd, en vele studies werden uitgevoerd om te lossen van de 3D-platforms van de systemen-¹³. Hydrogels bestaat uit chemisch gesynthetiseerde onderdelen zijn meestal onderzocht omdat zij kunnen gemakkelijk gesynthetiseerd en chemisch bewerkt en ze vertonen een hoge stabiliteit (Zie Zhu et al., 2011 herzieningsverzoek)⁵. Eiwitten hebben echter vele heilzame eigenschappen: als zogenaamde “precisie polymeren,” ze zijn biocompatibel; ze hebben een gedefinieerde lengte; ze zijn relatief makkelijk te wijzigen; en ze hebben een groot aantal doel sites^14,15. In dit opzicht kunnen zeer specifieke, innovatieve structuren worden gegenereerd voor toepassing op vele terreinen. In deze studie werd een op basis van eiwitten hydrogel¹⁶ gebruikt om aan te tonen van het vermogen van gevestigde methoden om de invloed van de 3D-architectuur van het materiaal. Bovendien, het vermogen en de toepasbaarheid op porie generatie werd eveneens onderzocht.

Veel verschillende technieken zijn beschikbaar voor het wijzigen van 3D-structuren, met inbegrip van zowel eenvoudige methoden en geavanceerde, zeer gespecialiseerde technieken uit verschillende gebieden van de materiaalkunde. Een wijdverbreide techniek is het gebruik van electrospinning voor het genereren van welomschreven structuren¹⁷. Geladen vezels zijn getrokken uit een oplossing door een elektrisch veld en vervolgens stollen bij blootstelling aan zuurstof. Op deze manier kunnen de vezels in de range van verschillende nanometer tot verschillende micron worden geproduceerd. Additionele technieken om af te stemmen op de grootte, structuur en verdeling van de poriën in de matrix zijn zachte lithografie fotolithografie, hydrodynamische gericht, electro-spuiten, en bio-afdrukken^18,19,20. Een belangrijk nadeel van deze technieken is hun afhankelijkheid op specifieke en dure apparatuur en speciale chemische stoffen of materialen. Bovendien ervaring met deze technieken is vaak niet direct overdraagbaar naar materialen op basis van eiwitten, en veel van de chemicaliën en de methoden zijn niet cel compatibel.

Aan de andere kant, vertrouw veel technieken niet op speciale apparatuur, waardoor ze gemakkelijker en goedkoper om toe te passen en te reproduceren. Een wijdverbreide methode voor structuur manipulatie is oplosmiddel gieten^21,22,23. Deeltjes zijn toegevoegd voordat de polymerisatie-reactie en homogeen worden verdeeld om te verzadigen van de oplossing. Na de polymerisatie leidt een verandering van omstandigheden, zoals een verdunning of een verandering van de pH, tot het oplossen van de deeltjes, terwijl de poriën binnen het materiaal blijven. De chemicaliën die worden gebruikt in deze technieken, zoals zout, suiker, paraffine, gelatine en krijt, zijn goedkoop en gemakkelijk beschikbaar. In het vriesdrogen, zijn gezwollen hydrogels bevroren. De daaropvolgende sublimatie van de vloeibare fasen onder een vacuüm is dan^23,24,25uitgevoerd. Water sublimatie van het netwerk is zacht genoeg om de specifieke 3D structuren van het materiaal. In het gas wordt schuimvorming, wordt een oplossing gestreamd met een gas terwijl de polymerisatie plaats vindt, waardoor poriën binnen de gel-²¹. De grootte en de verdeling van de poriën kunnen worden aangepast afhankelijk van de gasstroom.

Om de eiwit hydrogel, is BSA reageerde met tetrakis (hydroxymethyl) fosfonium chloride (THPC) in een Mannich-type reactie te voorzien in de vorming van covalente bindingen tussen primaire amines en de hydroxy groepen van de vier-armige linker molecuul²⁶. Mogelijk schadelijke tussenproducten worden verwijderd door overmatig wassen van het materiaal na de reactie optreedt.

Deze studie toont aan dat de mogelijkheid van het behandelen van een BSA gebaseerde materiaal met verschillende technieken om te manipuleren en aanpassen van de grootte van de poriën. Elk van de technieken kan worden gebruikt in elk laboratorium wereldwijd, zoals er geen speciale apparatuur nodig is. Bovendien verschillende parameters, zoals zwelling verhouding, enzymatische afbraak, stabiliteit van de pH en temperatuur gevoeligheid, zijn onderzocht en met elkaar vergeleken, met name de eerbiediging op de invloed van de verschillende technieken op de generatie van 3D platforms. De materialen werden ten slotte matiemaatschappij met cel-lijm peptiden te onderzoeken van de eventuele toepassing van de materialen op de cultuur van de cel. Twee verschillende model-cellijnen werden gebruikt: A549 en MCF7.