University of California, San Diego, nanoingenjörer vann ett anslag från National Institutes of Health för att utveckla verktygen för att tillverka biologiskt nedbrytbara ramar runt vilka hjärtvävnader - inklusive funktionella blodkärl - kommer att växa. Utveckla metoder för att odla vävnader som efterliknar naturens finkorniga detaljer, inklusive kärl, kan leda till genombrott i ansträngningarna att odla ersättningshjärtvävnad för personer som har drabbats av en hjärtattack. Arbetet kan också leda till bättre system för att växa och studera celler, inklusive stamceller, i laboratoriet. Kredit:Shaochen Chen
University of California, San Diego NanoEngineers vann ett anslag från National Institutes of Health (NIH) för att utveckla verktygen för att tillverka biologiskt nedbrytbara ramar runt vilka hjärtvävnader – inklusive funktionella blodkärl – kommer att växa. Utveckla metoder för odling av vävnader som efterliknar naturens finkorniga detaljer, inklusive vaskulatur, kan leda till genombrott i ansträngningarna att odla ersättningshjärtvävnader för personer som har drabbats av en hjärtattack. Arbetet kan också leda till bättre system för att växa och studera celler, inklusive stamceller, i laboratoriet.
Professor Shaochen Chen från UC San Diego Department of NanoEngineering är huvudutredaren på det fyraåriga bidraget på 1,5 miljoner dollar från National Institutes of Health. Bidraget finansierar utvecklingen av den tillverkningsplattform som krävs för att producera dessa biologiskt nedbrytbara ramar eller "ställningar".
"Vi skapar biomaterial med nanostrukturer på insidan, "sa Chen." Vetenskapligt finns det så många möjligheter på molekylär nivå, och nanoteknik passar perfekt för det. Vi förväntar oss att vår nya biotillverkningsplattform kommer att ge vävnader som efterliknar naturliga vävnader mycket närmare."
En sådan möjlighet är att lägga till nya nivåer av precision och funktionalitet till ställningarna som produceras av "biofabrication platform" som Chen och hans medarbetare uppfann och har förbättrats under de senaste fem åren.
Med den förbättrade biotillverkningsplattformen, ingenjörer vid Department of NanoEngineering inom UC San Diego Jacobs School of Engineering kommer att kunna producera ställningar med exakt utformade system av nanoskala porer och andra mikroarkitektoniska detaljer som styr hur celler interagerar med varandra och med miljön.
"Du måste designa porerna så att cellen kan få näring och dumpa avfall ... vägar för cellen att överleva i systemet, " förklarade Chen.
University of California, San Diego, nanoingenjörer vann ett anslag från National Institutes of Health för att utveckla verktygen för att tillverka biologiskt nedbrytbara ramar runt vilka hjärtvävnader - inklusive funktionella blodkärl - kommer att växa. Utveckla metoder för odling av vävnader som efterliknar naturens finkorniga detaljer, inklusive vaskulatur, kan leda till genombrott i ansträngningarna att odla ersättningshjärtvävnad för personer som har drabbats av en hjärtattack. Arbetet kan också leda till bättre system för att odla och studera celler, inklusive stamceller, i laboratoriet. Upphovsman:Shaochen Chen
Forskarna planerar också att skapa ställningar med rör, och sedan frö de rören med cellerna som kantar blodkärl - endotelceller - för att försöka generera fungerande kärlsystem. Bristen på blodkärl i de flesta vävnadsregenereringssystem leder till celldöd, förlorad funktion, och begränsar den maximala storleken på regenererade vävnader.
Dessutom, de kemiska egenskaperna hos de nya ställningarna kommer att förändras från topp till botten, vilket kommer att skapa kemiska gradienter som driver celltillväxt.
Som i tidigare versioner av Chens ställningsbyggande system, celler kommer att inkapslas inom ställningsväggar.
"Vanligtvis, när forskare odlar vävnad, de gör en ställning, lägg cellerna i ställningen och låt cellerna växa, " förklarade Chen. "När vi tillverkar våra ställningar, cellerna är redan innanför ställningsväggarna." Inkapsling av celler i väggarna uppmuntrar enhetlig sådd av celler.
Ställningarna kommer att baseras på naturmaterial som hyaluronsyra, en nyckelkomponent i den "extracellulära matrisen" som ger strukturellt stöd, sårläkning, och en rad andra funktioner för mänskliga och andra djurvävnader.
"Hydrogelerna för våra ställningar får inte vara för mjuka, för klibbig eller för styv. De måste passa den biologiska vävnadens behov, " sa Chen.
Samarbetspartners vid Harvard Medical School kommer att växa och karakterisera de vävnader som startas på ställningarna.
Projicering Bioprinting
För att tillverka vävnadsställningar, Chen och kollegor har utvecklat och fortsätter att förfina en tillverkningsprocess som använder ljus, exakt styrda speglar, och ett datorprojektionssystem. Först, ingenjörerna designar en tredimensionell modell av strukturen som ska tryckas. Nästa, ingenjörerna förbereder en lösning som innehåller både cellerna som så småningom kommer att växa in i vävnaden och de polymerer som kommer att stelna i ställningen. När ljus lyser in i lösningen med hjälp av serien av speglar, ställningen stelnar enligt de exakta specifikationerna för den projicerade bilden.
Genom att följa dessa steg, byggnadsställningar tillverkas och celler kapslas in i ställningsväggar eftersom ljus stelnar polymererna ett lager i taget.
"Med vår biotillverkningsplattform, vi kan bygga godtyckligt, tredimensionella former, som grenar av blodkärl, och rör – stora som små, " sa Chen. Mitt fokus ligger på materialtillverkning och enhetsnivå. Detta arbete är tillämpligt på många olika typer av celler och vävnader."
