Hydrogeler används ofta som biomaterial för tillämpningar inom biomedicin på grund av deras biokompatibilitet. Dock, förhållandet mellan biologiska celler och hydrogelytan är fortfarande oklart och de befintliga parametrarna för att förklara interaktionerna är inte tillräckligt sofistikerade. I en nyligen genomförd studie Jooyoung Lee, Boa Song och medarbetare vid Center for Biomaterials och Department of Polymer Engineering i Republiken Korea studerade effekten av polymerkedjeflexibilitet på cellvidhäftning, med en mängd olika hydrogelkonstruktioner som består av de naturliga polymererna kollagen och fibrin.

De introducerade en ny metod för semi-flexibel, modellbaserad analys för att bekräfta att kedjeflexibilitet medierade hydrogelmikrostrukturen som en kritisk faktor som möjliggjorde cellvidhäftning vid cell-materialgränssnittet. Analysen som föreslås i studien kan mer exakt förutsäga biokompatibilitet (cytokompatibilitet) för hydrogeler. Resultaten av arbetet publiceras nu i Vetenskapliga rapporter, tillhandahålla ett viktigt kriterium för polymerdesign och utveckling genom att förbättra biokompatibilitet och biofunktionalisering vid cell-materialgränssnittet för biomedicinska tillämpningar in vivo.

Hydrogeler är gjorda av polymernätverk svullna med vatten och har tillämpningar inom läkemedelstillförsel och vävnadsteknik. Cell-materialvidhäftning är avgörande för biokompatibilitet in vivo och de flesta studier har testat cellbeteende genom att analysera bulkstyvheten hos materialsammansättningen. Ändå, kommunikation mellan celler vid hydrogelytan återstår att förstå. FDA godkände naturliga polymerer kollagen och fibrin, ger utmärkt biokompatibilitet för biomedicinska tillämpningar. Även känd som halvflexibla polymerer, de överensstämmer inte med modeller av flexibla kedjelösningar eller styvstångsnätverk. Den semiflexibla modellen tillåter förutsägelse av kedjeflexibilitet hos polymernätverk genom att experimentellt skala den elastiska platåmodulen.

I den nya studien, Lee och Song et al. föreslagit en ny, semi-flexibel modellbaserad analys för att förstå cellvidhäftning till hydrogeler med hjälp av de välkarakteriserade kollagen- och fibrinpolymererna. De använde tre olika kollagen- och fibrinbeståndsdelar, för att undersöka faktorerna som bestämde celladhesion:

1. Tvådimensionella (2-D) belagda substrat.
2. 2-D bulk hydrogeler, och
3. 3-D bulkhydrogeler

Forskarna varierade hydrogelkoncentrationen i materialets beståndsdelar från 1 mg/ml till 7 mg/ml och kvantifierade bulkstyvheten och grovheten hos de nybildade biomaterialen. För att definiera parametrarna för cellbifogning, de observerade kedjemorfologin hos de nya materialen. Resultaten bekräftade att mikroarkitekturen hos hydrogeler påverkade kedjeflexibiliteten som en avgörande faktor som påverkar cellvidhäftningen.

I experimentuppställningen, forskarna förberedde en mängd olika kollagen- och fibrinkonstruktioner, att testa cellvidhäftning utan gravitationseffekter. De kontrollerade hydrogelstyvheten med hjälp av inkrementella koncentrationer av varje komponent och kvantifierade förhållandet mellan spänning och töjning baserat på axiell (drag eller tryck) och rotations (skjuv) spänning. För att mäta de reologiska egenskaperna hos hydrogelerna, forskarna använde en stresskontrollerad reometer. De mätte sedan tryckmodulen för dragprovning med en universell testmaskin. För att undersöka yttopografi, forskarna använde ett atomkraftmikroskop, följt av mikroindentation för att mäta Youngs modul (E) för hydrogelerna, där de beräknade medelvärde (E) med hjälp av JPK databehandlingsprogram. Lee och Song et al. tror att studien var den första som undersökte cellvidhäftning på hydrogeler med hjälp av lutningen av elasticitet hos modell semiflexibla polymerer.

För cellodling i labbet, Lee och Song et al. använde humana navelvenendotelceller (HUVEC) som den föredragna cellinjen. De mätte graden av cellvidhäftning på olika koncentrationer av kollagen och fibrinhydrogeler i 2-D, och kvantifierad celladhesion med användning av cellräkningskit 8 (CCK-8). Forskarna observerade inte en statistiskt signifikant skillnad mellan celladhesion på 2-D kollagen och fibrinbelagda substrat; möjligen eftersom celler kände av de mekaniska egenskaperna hos cellodlingsplattor, istället för materialegenskaperna hos hydrogelerna. I 2-D bulk hydrogelytor, celladhesion till kollagen (2-D bulkgeler) var mycket högre än den på 2-D fibrinbulkgeler. Vidare, eftersom hydrogelkoncentrationen varierade, forskarna observerade att cellvidhäftningen systematiskt ökade med den ökande koncentrationen av kollagen. I jämförelse, celladhesion på fibringeler var oberoende av koncentrationen av den inkorporerade hydrogelen.

Lee och Song et al. använde sedan 3-D lumenstrukturer av hydrogeler för att klargöra cellvidhäftningshastigheten på kollagen- och fibringeler. De observerade att cellerna var bättre fästa vid kollagen jämfört med fibringeler. Celladhesionsfenotyper var också mycket tydligare på 3-D-konstruktionerna jämfört med vidhäftningar på 2-D. Vanligtvis, celler fäster till materialytor eller den extracellulära matrisen (ECM) via förankringspunkter som kallas fokala vidhäftningar. Celler på styvare substrat innehåller i allmänhet välorganiserade cytoskelett för stabila fokala vidhäftningar. För att förstå om bulkhydrogeler kan bidra till cellvidhäftning, forskarna plottade bulkstyvheten hos hydrogelerna och jämförde kollagen och fibrin vid olika koncentrationer. Lee och Song et al. visade därigenom experimentellt att bulkstyvhet inte var en kritisk faktor för att påverka cellvidhäftning på hydrogelerna.

Forskarna fastställde Youngs modul och kompressionsmodul som ytterligare mekaniska egenskaper hos materialen som påverkade cellvidhäftningen. De visade hur stelheten ökade med ökande koncentration, och föreslog kedjeflexibilitet som en lämplig parameter. Trots den ökade stelheten med ökande koncentration av kollagen och fibrin, forskarna kunde inte förklara de varierande cellvidhäftningshastigheterna som observerades mellan de två polymererna.

För detta, Lee och Song et al. undersökte arkitekturen för fibermolekyler och deras nätverk i mikroskopisk skala med hjälp av atomkraftsmikroskopi. Kollagengeler visade en fibrös struktur som rapporterats tidigare, med väl definierade stavformade, halvflexibla filament. I jämförelse, i fibringelstrukturen, forskarna observerade bara några halvflexibla filament, där det associerade proteinet var intrasslat som dynamiskt fångade flexibla kedjor. För att bekräfta graden av cell vid hydrogelfästning, forskarna färgade cellerna med cellytmarkören CD31 (glykoprotein uttryckt på endotelceller) och bekräftade endotelets stabila arkitektur på materialet.

Forskarna observerade att den totala cellbindningen till kollagenhydrogel var större än på fibrinhydrogel. Resultaten berodde på den högre styvheten av kollagen i mikroskopisk skala, jämfört med den relativt flexibla kedjearkitekturen hos fibrin. Forskarna visade alltså den mikroskopiska styvheten hos hydrogeler som en dominerande faktor som bestämmer graden av cellfästning på en biomaterialyta.

På det här sättet, Lee och Song et al. föreslagna analytiska metoder i studien för att beskriva interaktionen mellan cellvidhäftning och materialytor. Resultaten kommer att ge viktiga riktlinjer för biomaterialdesign i framtiden, samtidigt som optimerade materialegenskaper för hållbarhet och mekanisk styrka integreras för hydrogelapplikationer in vivo. Forskarna visade en semi-flexibel, modellbaserad förklaring av celladhesion till biomaterial genom att studera vävnadsstyvhet för att kontrollera celladhesion, spridning och differentiering på materialkonstruktionerna. Författarna föreslår att denna enkla metod kan förklara egenskaperna hos celladhesion på polymera biomaterial för exakta förutsägelser om biokompatibilitet. Resultaten kommer att ge ett praktiskt verktyg för att designa och konstruera 3-D artificiell vävnad med högre biomekanisk precision och biokompatibilitet för en mängd olika applikationer, såsom biotekniska blodkärl och läkemedelsleveransmekanismer in vivo.

© 2019 Science X Network