Hydrogels worden vaak gebruikt als biomaterialen voor toepassingen in de biogeneeskunde vanwege hun biocompatibiliteit. Echter, de relatie tussen biologische cellen en het hydrogeloppervlak is nog steeds onduidelijk en de bestaande parameters om de interacties te verklaren zijn niet geavanceerd genoeg. In een recente studie, Jooyoung Lee, Boa Song en medewerkers van het Center for Biomaterials en het Department of Polymer Engineering in de Republiek Korea bestudeerden de impact van polymeerketenflexibiliteit op celadhesie, met een verscheidenheid aan hydrogelconstructies samengesteld uit de natuurlijke polymeren collageen en fibrine.

Ze introduceerden een nieuwe methode van semi-flexibele, modelgebaseerde analyse om te bevestigen dat ketenflexibiliteit de hydrogel-microstructuur bemiddelde als een kritische factor die celadhesie op de cel-materiaalinterface mogelijk maakte. De in de studie voorgestelde analyse is in staat om de biocompatibiliteit (cytocompatibiliteit) van hydrogels nauwkeuriger te voorspellen. Resultaten van het werk dat nu gepubliceerd is in wetenschappelijke rapporten, bieden een belangrijk criterium voor het ontwerp en de ontwikkeling van polymeren door de biocompatibiliteit en biofunctionalisatie op de cel-materiaalinterface voor biomedische toepassingen in vivo te verbeteren.

Hydrogels zijn gemaakt van polymeernetwerken die zijn opgezwollen met water en hebben toepassingen in medicijnafgifte en weefseltechnologie. Cel-materiaaladhesie is cruciaal voor in vivo biocompatibiliteit en de meeste studies hebben celgedrag getest door bulkstijfheid van de materiaalsamenstelling te analyseren. Hoe dan ook, communicatie tussen cellen aan het hydrogeloppervlak moet nog nauwkeurig worden begrepen. De FDA keurde natuurlijke polymeren collageen en fibrine goed, bieden uitstekende biocompatibiliteit voor biomedische toepassingen. Ook bekend als semi-flexibele polymeren, ze voldoen niet aan modellen van flexibele kettingoplossingen of starre staafnetwerken. Het semi-flexibele model maakt het mogelijk de ketenflexibiliteit van polymeernetwerken te voorspellen door de elastische plateaumodulus experimenteel te schalen.

In de nieuwe studie Lee en Song et al. stelde een nieuwe voor, semi-flexibele modelgebaseerde analyse om celadhesie aan hydrogels te begrijpen met behulp van de goed gekarakteriseerde collageen- en fibrinepolymeren. Ze gebruikten drie verschillende collageen- en fibrinebestanddelen, om de factoren te onderzoeken die celadhesie bepaalden:

1. Tweedimensionale (2-D) gecoate ondergronden.
2. 2-D bulkhydrogels, en
3. 3D bulkhydrogels

De wetenschappers varieerden de hydrogelconcentratie in de materiaalbestanddelen van 1 mg/mL tot 7 mg/mL en kwantificeerden de bulkstijfheid en ruwheid van de nieuw gevormde biomaterialen. Om de parameters van celaanhechting te definiëren, ze observeerden de ketenmorfologie van de nieuwe materialen. De resultaten bevestigden dat de microarchitectuur van hydrogels de flexibiliteit van de keten beïnvloedde als een cruciale factor die de celadhesie beïnvloedt.

In de proefopstelling is de wetenschappers bereidden een verscheidenheid aan collageen- en fibrineconstructies, om celadhesie te testen zonder zwaartekrachteffecten. Ze controleerden de stijfheid van de hydrogel met behulp van incrementele concentraties van elke component en kwantificeerden de spanning-rekrelatie op basis van axiale (trek- of druk) en roterende (schuif)spanning. Om de reologische eigenschappen van de hydrogels te meten, de wetenschappers gebruikten een stressgestuurde reometer. Vervolgens maten ze de drukmodulus voor trekproeven met een universele testmachine. Om oppervlaktetopografie te onderzoeken, de wetenschappers gebruikten een atoomkrachtmicroscoop, gevolgd door micro-inspringing om de Young's modulus (E) van de hydrogels te meten, waar ze gemiddelde (E) berekenden met behulp van JPK-gegevensverwerkingssoftware. Lee en Song et al. geloof dat de studie een primeur was om celadhesie op hydrogels te onderzoeken met behulp van de helling van elasticiteit van semi-flexibele modelpolymeren.

Voor celkweek in het laboratorium, Lee en Song et al. gebruikte menselijke endotheelcellen van de navelstrengader (HUVEC's) als de voorkeurscellijn. Ze maten de snelheid van celadhesie op verschillende concentraties collageen en fibrinehydrogels in 2-D, en gekwantificeerde celadhesie met behulp van de celtelkit 8 (CCK-8). De wetenschappers hebben geen statistisch significant verschil waargenomen tussen celadhesie op 2-D collageen en met fibrine gecoate substraten; mogelijk omdat cellen de mechanische eigenschappen van celkweekplaten aanvoelden, in plaats van materiaaleigenschappen van de hydrogels. In 2-D bulk hydrogel oppervlakken, celadhesie aan collageen (2-D bulkgels) was veel hoger dan die op 2-D fibrinebulkgels. Verder, naarmate de hydrogelconcentratie varieerde, de wetenschappers observeerden dat de celaanhechting systematisch toenam met de toenemende concentratie van collageen. In vergelijking, celadhesie op fibrinegels was onafhankelijk van de concentratie van de opgenomen hydrogel.

Lee en Song et al. vervolgens 3D-lumenstructuren van hydrogels gebruikt om de snelheid van celadhesie op collageen- en fibrinegels te verduidelijken. Ze merkten op dat de cellen beter aan collageen gehecht waren in vergelijking met fibrinegels. Celadhesie-fenotypen waren ook veel duidelijker op de 3D-constructen in vergelijking met bijlagen op 2-D. Typisch, cellen hechten zich aan materiaaloppervlakken of de extracellulaire matrix (ECM) via verankeringspunten die bekend staan ​​als focale verklevingen. Cellen op stijvere substraten bevatten over het algemeen goed georganiseerde cytoskeletten voor stabiele focale adhesies. Om te begrijpen of bulkhydrogels kunnen bijdragen aan celadhesie, de wetenschappers brachten de bulkstijfheid van de hydrogels in kaart en vergeleken collageen en fibrine in verschillende concentraties. Lee en Song et al. daardoor experimenteel aangetoond dat bulkstijfheid geen kritische factor was om celadhesie op de hydrogels te beïnvloeden.

De wetenschappers bepaalden de Young's modulus en compressieve modulus als extra mechanische eigenschappen van de materialen die de celadhesie beïnvloedden. Ze lieten zien hoe de stijfheid toenam met toenemende concentratie, en suggereerde ketenflexibiliteit als een geschikte parameter. Ondanks de verhoogde stijfheid met toenemende concentratie van collageen en fibrine, de wetenschappers konden de variërende celadhesiesnelheden tussen de twee polymeren niet verklaren.

Voor deze, Lee en Song et al. onderzocht de architectuur van vezelmoleculen en hun netwerken op microscopische schaal met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Collageengels vertoonden een vezelachtige structuur zoals eerder gemeld, met goed gedefinieerde staafvormige, semi-flexibele filamenten. In vergelijking, in de fibrinegelstructuur, de wetenschappers observeerden slechts een paar semi-flexibele filamenten, waar het geassocieerde eiwit verstrengeld was als dynamisch gevangen flexibele ketens. Om de celgraad op hydrogelbevestiging te bevestigen, de wetenschappers kleurden de cellen met de celoppervlaktemarker CD31 (glycoproteïne tot expressie gebracht op endotheelcellen) en bevestigden de stabiele architectuur van het endotheel op het materiaal.

De wetenschappers observeerden dat de totale celhechting aan collageenhydrogel groter was dan op fibrinehydrogel. De resultaten waren te wijten aan de hogere stijfheid van collageen op microscopische schaal, vergeleken met de relatief flexibele ketenarchitectuur van fibrine. De wetenschappers toonden dus de microscopische stijfheid van hydrogels aan als een dominante factor die de mate van celhechting op een biomateriaaloppervlak bepaalde.

Op deze manier, Lee en Song et al. voorgestelde analytische methoden in de studie om de interactie tussen celadhesie en materiaaloppervlakken te beschrijven. De resultaten zullen in de toekomst belangrijke richtlijnen bieden bij het ontwerpen van biomaterialen, terwijl geoptimaliseerde materiaaleigenschappen van duurzaamheid en mechanische sterkte worden geïntegreerd voor hydrogeltoepassingen in vivo. De wetenschappers toonden een semi-flexibele, modelgebaseerde verklaring van celadhesie aan biomaterialen door weefselstijfheid te bestuderen om celadhesie te beheersen, proliferatie en differentiatie op de materiële constructies. De auteurs stellen voor dat deze eenvoudige methode de eigenschappen van celadhesie op polymere biomaterialen kan verklaren voor nauwkeurige voorspellingen van biocompatibiliteit. De resultaten zullen een praktisch hulpmiddel bieden voor het ontwerpen en construeren van 3D-kunstmatig weefsel met hogere biomechanische precisie en biocompatibiliteit voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals bio-engineering van bloedvaten en mechanismen voor medicijnafgifte in vivo.

© 2019 Wetenschap X Netwerk