Einfache Handhabung von Architekturen in Protein-basierte Hydrogele für Zelle Kultur Anwendungen

Hydrogele sind Materialien, die bilden unlösliche 3D Netzwerke in der Lage, große Mengen an Wasser zu binden. Solche Materialien bieten hervorragende Bedingungen für lebende Zellen. Derzeit, steigt es Interesse bei der Erzeugung von dreidimensionalen Hydrogel Strukturen und der Entwicklung von Prozessen, deren chemischen und physikalischen Eigenschaften anzupassen. Sobald dies erreicht ist, kann eine Vorlage für das Wachstum von Zellen und die Manipulation von zellulären Verhalten generierte^1,2,3,4. Diese 3D Strukturen schaffen nicht nur eine natürlichere und realistische Umgebung als herkömmlichen zweidimensionalen Ansätze, aber sie auch zeigen neue Möglichkeiten für das Wachstum von Stammzellen oder Tumor Modelle⁵. Unterschiedliche Materialien besitzen eine Reihe von Eigenschaften, die vor allem von der Porengröße des Gel⁶abhängen. Die Poren spielen eine entscheidende Rolle in Zelle Kultur Anwendungen, Gewebe-Engineering und das gerichtete Wachstum von Stammzellen. Beispielsweise mit Sauerstoff und Nährstoffen durch die Matrix diffundieren und ausreichende Mengen müssen möglicherweise die Zellen⁷zu erreichen. Auf der anderen Seite schädliche Stoffwechselprodukte müssen so schnell wie möglich entfernt werden, und ausreichend Platz für das Zellwachstum muss⁷verfügbar sein. Daher beeinflussen die Eigenschaften des Materials und somit die Porengröße stark nutzen und mögliche Einsatzmöglichkeiten der Matrix. Abhängig von den Eigenschaften des Materials, können verschiedene Zellwachstum Prozesse in 3D Zellkultur, einschließlich der Bildung von neuronalen Strukturen auftreten; das Wachstum und die Differenzierung von Zellen der Haut oder Knochen; und das gerichtete Wachstum der spezielle Zelllinien, wie Hepatozyten oder Fibroblasten^{2,3,8,9,10,11}. Ein weiterer entscheidender Punkt Einfluss auf die mögliche Anwendung eines Materials ist seine Stabilität gegen äußere Reize¹². Zum Beispiel muss das Hydrogel seine mechanische Integrität in Zellkulturmedien oder den menschlichen Körper pflegen.

In den letzten Jahren auf 3D Zelle Kultur Hydrogele intensiviert Forschung und zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um die 3D Architekturen der Systeme¹³zu beheben. Hydrogele bestehend aus chemisch synthetisierten Komponenten sind am häufigsten untersucht, weil sie leicht synthetisiert und chemisch modifiziert werden können und sie hohen Stabilität weisen (siehe Zhu Et Al., 2011 eine Überprüfung)⁵. Proteine haben jedoch viele positive Eigenschaften: als so genannte “Präzision Polymere,” sie sind biokompatible; Sie haben eine definierte Länge; Sie sind relativ leicht zu ändern; und sie haben eine große Anzahl von Ziel-Websites^14,15. In diesem Zusammenhang können hochspezifische, innovative Strukturen für den Einsatz in vielen Bereichen generiert werden. In dieser Studie wurde ein Protein-basierten Hydrogel-¹⁶ verwendet, zu zeigen, die Fähigkeit der etablierten Methoden 3D-Architektur des Materials zu beeinflussen. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit und die Anwendbarkeit zu Pore Generation auch untersucht.

Viele verschiedene Techniken stehen zur Verfügung, 3D Strukturen, einschließlich einfache Methoden und anspruchsvolle, hochspezialisierte Techniken aus verschiedenen Bereichen der materiellen Wissenschaft zu ändern. Eine weit verbreitete Technik ist die Verwendung von Elektrospinnen, klar definierte Strukturen¹⁷zu generieren. Geladene Fasern werden aus einer Lösung durch ein elektrisches Feld gezogen und dann nach Einwirkung von Sauerstoff zu festigen. Auf diese Weise können Fasern im Bereich von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern hergestellt werden. Zusätzliche Techniken, um die Größe, Struktur und Verteilung der Poren innerhalb der Matrix zu optimieren sind weiche Lithographie, Photolithographie, hydrodynamische Fokussierung, Elektro-Spritzen und Bio-Druck^18,19,20. Ein erheblicher Nachteil dieser Techniken ist ihre Abhängigkeit von bestimmten, teure Ausrüstung und spezielle Chemikalien oder Materialien. Darüber hinaus Erfahrung mit diesen Techniken ist oft nicht direkt übertragbar auf Protein-basierten Materialien, und viele der Chemikalien und Methoden sind nicht kompatibel.

Auf der anderen Seite verlassen viele Techniken sich nicht auf spezielle Ausrüstung, so dass sie einfacher und billiger zu bewerben und zu reproduzieren. Eine weit verbreitete Methode zur Struktur Manipulation ist solvent Casting^21,22,23. Partikel werden vor der Polymerisationsreaktion hinzugefügt und sind homogen verteilt, um die Lösung zu sättigen. Nach der Polymerisation führt eine Änderung der Bedingungen, wie eine Verdünnung oder eine pH-Wert-Änderung zu der Solvatation der Teilchen, während die Poren im Material bleiben. Die in diesen Techniken, wie Salz, Zucker, Paraffin, Gelatine und Kreide, verwendeten Chemikalien sind billig und überall verfügbar. Gefriertrocknung, sind geschwollene Hydrogele eingefroren. Die nachfolgenden Sublimierung der flüssigen Phasen unter Vakuum wird dann^23,24,25durchgeführt. Wasser Sublimation aus dem Netzwerk ist sanft genug, um die spezifische 3D Strukturen des Materials beibehalten. Im Gas Schäumen ist eine Lösung mit einem Gas strömte, während die Polymerisation erfolgt, Poren im Gel²¹verlassen. Umfang und Verteilung der Poren können je nach dem Gasstrom eingestellt werden.

Um die Protein-Hydrogel zu bilden, wird BSA mit Tetrakis (Hydroxymethyl) Phosphonium-Chlorid (THPC) in einer Mannich-Typ-Reaktion ermöglicht die Bildung von kovalenten Bindungen zwischen primären Aminen und die Hydroxygruppen der vierarmigen Linker Molekül²⁶reagiert. Mögliche schädliche Zwischenprodukte werden durch übermäßiges Waschen des Materials entfernt, nachdem die Reaktion auftritt.

Diese Studie zeigt die Möglichkeit der Behandlung von einem BSA-basierte Material mit verschiedenen Techniken zu manipulieren und passen Sie die Größe der Poren. Jede der Techniken kann verwendet werden in jedem Labor weltweit, da keine besondere Ausrüstung notwendig ist. Darüber hinaus respektieren wie Schwellung Verhältnis, enzymatische Abbaubarkeit, pH-Stabilität und Temperaturempfindlichkeit, wurden untersucht und im Vergleich zu anderen, verschiedene Parameter, vor allem auf den Einfluss der verschiedenen Techniken auf die Erzeugung von 3D-Architekturen. Zu guter Letzt wurden die Materialien mit Zelle-Klebstoff Peptide zu untersuchen, die mögliche Anwendung der Materialien auf Zellkultur funktionalisiert. Zwei verschiedene Modell-Zell-Linien wurden verwendet: A549 und MCF7.