När en stationär droppe som innehåller ett löst ämne i ett flyktigt lösningsmedel avdunstar, flödet i droppen kan samlas i komplexa mönster. Forskare har undersökt sådan transport i förångande av sittande droppar i lösningsmedel. I en ny rapport som nu publicerats den Vetenskapliga framsteg , Bryan A. Nerger och ett team av forskare inom kemisk och biologisk teknik, och molekylärbiologi vid Princeton University, USA, visat flöde vid avdunstning av vattenhaltiga sessila droppar innehållande det självmonterande polymeren typ I-kollagen. Materialet kan användas för att konstruera hydrerade nätverk av inriktade kollagenfibrer. Teamet noterade Marangoni-effekten (en term som härrör från spridningen av oljedroppar på vatten) för att styra sammansättningen av kollagenfibrer över millimeterskaliga områden i förhållande till miljöfuktigheten och droppens geometriska form. Nerger et al. inkorporerade och odlade skelettmuskelceller i de förångande dropparna för att observera deras kollektiva orientering och efterföljande differentiering till myotubes som svar på de inriktade nätverken av kollagen. Arbetet visar en enkel, avstämningsbar och hög genomströmningsmetod för att konstruera anpassade fibrillära hydrogeler för att skapa cellbelastade biomimetiska material.

Myriaden av fasta avsättningsmönster som härrör från avdunstningsdrivet vätskeflöde rapporterades först av Robert Brown 1828 och undersöktes därefter för en mängd olika applikationer i dag, inklusive mikrofabricering och bläckstråleskrivning. Kafferingen eller det yttre radiella flödet kan också uppstå när lösningsmedlet är flyktigt, och Marangoni -flödet som drivs av förångningens latenta värme undertrycks. Marangoni-flöden som härrör från termiska eller lösningsdrivna gradienter i ytspänning kan också generera återcirkulerande flöden. Forskare har beskrivit flödet i förångande droppar främst i samband med partiklar suspenderade i lösningsmedel som helt avdunstar. I det här arbetet, Nerger et al. visade hur flödet i avdunstande droppar kunde reglera graden av proteinsammanställning och styra anpassningen av fibrösa cellfyllda proteinnätverk. Teamet visade att flödet i förångande vattenhaltiga droppar av neutraliserat typ I -kollagen genererade inriktade kollagenfibernät.

De termiska och lösningsdrivna Marangoni-effekterna tillät radiellt flöde i den avdunstande droppen att orientera kollagenfibrer genom självmontering. Forskarna ställde in fibrernas orientering genom att ändra hastigheten för självmontering, miljöfuktighet och droppens geometri. Skelettmuskelcellerna införlivade i de avdunstande dropparna orienterade och differentierade till flerkärniga myotuber som svar på inriktningen av kollagenfibrer och endast en bråkdel av vattnet avdunstade från droppen, vilket ger upphov till en cellbelastad hydrogelkonstruktion. Den resulterande hydrogeln har breda tillämpningar för att designa biomimetiska ställningar för studier i vävnadsteknik, utvecklingsbiologi och självmonterande material.

Självmontering av kollagenfibrer i förångande droppar av kollagen

Teamet droppgjutna neutraliserade lösningar av kollagen av typ I på ultravioletta (UV)/ozonbehandlade glasbottenskålar genom att kontrollera den relativa luftfuktigheten (RH) för odlingsskålarna innan kollagen avsattes i skålen. De placerade sedan odlingsskålen i en större förseglad petriskål för att initiera kollagen självmontering. Kollagenet konstrueras självmonterat medan vatten avdunstar från droppen, och teamet visualiserade orienteringen av kollagenfibrer i tre olika delar av droppen inklusive kanten, nära kanten, och mitten. Teamet observerade orienteringen av kollagenfibrerna i droppen och visade deras variation inom de förångande dropparna.

Nerger et al. införlivade fluorescerande pärlor i dropparna för att förstå om orienteringen av kollagenfibrer korrelerade med de inre flödesmönstren under avdunstning. De observerade sedan pärlornas rörelse och kollagenets självmontering för att antyda att Marangoni-flödet drev recirkulation inom de avdunstande dropparna. Pärlrörelserna överensstämde med mönstren för kollagenfiberinriktning genom hela droppen. Forskarna kvantifierade flödet genom att beräkna tids- och ensemble-medelvärdeparametrar, inklusive medelkvadratförskjutning (MSD), total förskjutning, och hastigheten på pärlbanor. Mätningarna visade ökad rörlighet för pärlor i droppens närkant. medan medelhastigheten för pärlorna var fem till tio gånger högre i kant- eller mellanregionerna.

Tuning av kollagenfiberjustering och diameter

Nerger et al. undersökte sedan kollagenfiberinriktningen i dropparna där hastigheten för Marangoni -flödet var proportionell mot avdunstningshastigheten. Inriktningen av kollagenfibrer berodde på den flödesinducerade skjuvhastigheten. Därför, laget antog att de kunde justera kollageninriktningen genom att justera variationen i relativ luftfuktighet (relativ luftfuktighet). Processen gjorde att de också kunde kontrollera hastigheten på droppindunstning. De testade detta med rent vatten och mättade saltlösningar i odlingsskålen och använde konfokal reflektionsmikroskopi (CRM) för att visa att kollagenfiberjustering minskade under de höga RH -förhållandena som tillhandahålls av vatten eller natriumklorid (NaCl). När de minskade RH med litiumbromid (LiBr), inriktningsfraktionen minskade, samtidigt som kollagendiametern ökar på grund av minskad kinetik för kollagen självmontering. RH reglerade inriktningen av kollagenfibrer genom att reglera flödeshastigheterna. Tillräckligt stora flödeshastigheter kan därför störa bildandet av ett stabilt kollagennätverk. Teamet varierade också lösningens pH och härledde kollagenfiberinriktningen till att vara en funktion av kinetiken för självmontering i en förångande droppe. Forskarna kunde kontrollera mönstret för kollageninriktning genom att styra droppens geometri.

Mönster cellinriktning för differentiering

Justerade nätverk av kollagenfibrer kan typiskt påverka fysiologiska cell- och vävnadsbeteenden samt biologiska processer som en lovande väg inom vävnadsteknik. För att avgöra om celler förblev livskraftiga på kollagen efter droppindunstning, Nerger et al. inkluderade mänsklig bröstcancer eller skelettmuskelceller i lösningen av kollagen före droppgjutning och avdunstning. Bröstcancercellerna orienterade radiellt längs kollagenfibrer i droppen, och skelettmuskelcellerna orienterade i riktning mot kollagenfiberinriktning. Efter fyra dagar i cellodling, skelettmuskelcellerna differentierades för att bilda flerkärniga myotuber anpassade till kollagenfibrernas riktning genom hela droppen. För att bekräfta kollagens påverkan på differentiering, forskarna odlade celler på ett glasunderlag under samma förhållanden och noterade att sarkomeriska strukturer var kontrasterande mindre och slumpmässigt orienterade. Data visade hur förångande droppar av kollagenmönstrad cellinriktning och differentiering över millimeterlängdskalor.

På det här sättet, Bryan A. Nerger och kollegor använde Marangoni-flöde som genererades i förångande droppar av typ I-kollagen för att reglera självmontering av kollagen och producera tredimensionella (3-D) nätverk med avstämbar fiberinriktning, diameter och porositet. De förhindrade fullständig avdunstning av dropparna för att bilda 3D-hydrerade kollagenfibernät för att stödja däggdjurs celltillväxt och differentiering. Systemet har potential att generera en enkel, hög genomströmningsmetod för att införliva vävnadsexplantat eller organoider i anpassade nätverk av kollagen. Metoden kommer att tillåta framställning av fysiologiskt relevanta vävnadskonstruktioner för breda tillämpningar inom biovetenskap och medicin.

© 2020 Science X Network