Wanneer een stationaire druppel met een opgeloste stof in een vluchtig oplosmiddel verdampt, de stroom in de druppel kan samenkomen in complexe patronen. Onderzoekers hebben dergelijk transport onderzocht in verdampende sessiele druppeltjes in oplosmiddelen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Bryan A. Nerger en een team van wetenschappers in chemische en biologische engineering, en moleculaire biologie aan de Princeton University, ONS., aangetoonde stroming in verdampende waterige sessiele druppeltjes die het zelfassemblerende polymeer type I collageen bevatten. Het materiaal kan worden gebruikt om gehydrateerde netwerken van uitgelijnde collageenvezels te ontwikkelen. Het team merkte het Marangoni-effect op (een term die afkomstig is van de verspreiding van oliedruppels op water) om de assemblage van collageenvezels over millimeterschaalgebieden te sturen in verhouding tot de omgevingsvochtigheid en de geometrische vorm van de druppel. Nerger et al. opgenomen en gekweekte skeletspiercellen in de verdampende druppeltjes om hun collectieve oriëntatie en daaropvolgende differentiatie tot myotubes te observeren in reactie op de uitgelijnde netwerken van collageen. Het werk toont een eenvoudige, afstembare en high-throughput benadering om uitgelijnde fibrillaire hydrogels te engineeren om celbeladen biomimetische materialen te creëren.

De talloze vaste afzettingspatronen die voortkomen uit door verdamping aangedreven vloeistofstroom werden voor het eerst gerapporteerd door Robert Brown in 1828 en vervolgens onderzocht voor een verscheidenheid aan hedendaagse toepassingen, inclusief microfabricage en inkjetprinten. De koffiering of uitgaande radiale stroming kan ook optreden wanneer het oplosmiddel vluchtig is, en de Marangoni-stroom die wordt aangedreven door de latente verdampingswarmte wordt onderdrukt. Marangoni-stromen die voortkomen uit thermische of door opgeloste stoffen aangedreven gradiënten in oppervlaktespanning kunnen ook recirculerende stromen genereren. Onderzoekers hebben stroming in verdampende druppeltjes voornamelijk beschreven in de context van deeltjes gesuspendeerd in oplosmiddelen die volledig verdampen. In dit werk, Nerger et al. toonde aan hoe stroming in verdampende druppeltjes de snelheid van zelfassemblage van eiwitten kon reguleren en de uitlijning van met vezelachtige cellen beladen eiwitnetwerken kon regelen. Het team toonde aan dat stroming in verdampende waterdruppels van geneutraliseerd type I collageen uitgelijnde collageenvezelnetwerken genereerde.

De thermische en door opgeloste stof aangedreven Marangoni-effecten maakten radiale stroming in de verdampende druppel mogelijk om collageenvezels door zelfassemblage te oriënteren. De wetenschappers stemden de oriëntatie van vezels af door de snelheid van zelfassemblage te veranderen, omgevingsvochtigheid en geometrie van de druppel. De skeletspiercellen opgenomen in de verdampende druppeltjes georiënteerd en gedifferentieerd tot multinucleaire myotubes in reactie op de uitlijning van collageenvezels en slechts een fractie van het water verdampt uit de druppel, waardoor een celbeladen hydrogelconstructie ontstaat. De resulterende hydrogel heeft brede toepassingen voor het ontwerpen van biomimetische scaffolds voor studies in tissue engineering, ontwikkelingsbiologie en zelfassemblerende materialen.

Zelfassemblage van collageenvezels in verdampende collageendruppels

Het team drop-cast geneutraliseerde oplossingen van type I collageen op ultraviolet (UV)/ozon behandelde glazen bodem kweekschalen door de relatieve vochtigheid (RH) van de kweekschalen te regelen voordat collageen in de schaal wordt gedeponeerd. Vervolgens plaatsten ze de kweekschaal in een grotere verzegelde petrischaal om de zelfassemblage van collageen te initiëren. Het collageen wordt zelf-geassembleerd terwijl water uit de druppel verdampt, en het team visualiseerde de oriëntatie van collageenvezels in drie verschillende gebieden van de druppel, inclusief de rand, dichtbij de rand, en het midden. Het team observeerde oriëntaties van de collageenvezels in de druppel en toonde hun variatie binnen de verdampende druppeltjes.

Nerger et al. fluorescerende kralen in de druppeltjes opgenomen om te begrijpen of de oriëntatie van collageenvezels correleerde met de interne stromingspatronen tijdens verdamping. Vervolgens observeerden ze de beweging van de kralen en de zelfassemblage van collageen om te suggereren dat de Marangoni-stroom de recirculatie in de verdampende druppeltjes aanstuurde. De kraalbewegingen waren consistent met de patronen van collageenvezeluitlijning door de druppel. De wetenschappers kwantificeerden de stroom door tijd- en ensemblegemiddelde parameters te berekenen, inclusief gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD), totale verplaatsing, en snelheid van kralenbanen. De metingen toonden verhoogde mobiliteit voor kralen in het nabije randgebied van de druppel, terwijl de gemiddelde snelheid van kralen vijf tot tien keer hoger was in de rand- of middengebieden.

Uitlijning en diameter van collageenvezels afstemmen

Nerger et al. onderzocht vervolgens de uitlijning van collageenvezels in de druppeltjes waar de snelheid van de Marangoni-stroom evenredig was met de verdampingssnelheid. De uitlijning van collageenvezels was afhankelijk van de door de stroom geïnduceerde afschuifsnelheid. Daarom, het team veronderstelde dat ze de collageenuitlijning konden afstemmen door de RH-variatie (relatieve vochtigheid) aan te passen. Door het proces konden ze ook de snelheid van de druppelverdamping regelen. Ze testten dit met zuiver water en verzadigde zoutoplossingen in de kweekschaal en gebruikten confocale reflectiemicroscopie (CRM) om aan te tonen dat de uitlijning van collageenvezels afnam onder de hoge RH-omstandigheden van water of natriumchloride (NaCl). Toen ze de RV verlaagden met lithiumbromide (LiBr), de uitlijningsfractie nam af, terwijl de collageendiameter toeneemt als gevolg van verminderde kinetiek van de zelfassemblage van collageen. De RH regelde de uitlijning van collageenvezels door de stroomsnelheden te regelen. Voldoende grote stroomsnelheden kunnen daarom de vorming van een stabiel collageennetwerk verstoren. Het team varieerde ook de pH van de oplossing en leidde de uitlijning van collageenvezels af als een functie van de kinetiek van zelfassemblage in een verdampende druppel. De wetenschappers konden het patroon van collageenuitlijning regelen door de geometrie van de druppel te regelen.

Patronen van celuitlijning voor differentiatie

Uitgelijnde netwerken van collageenvezels kunnen typisch fysiologisch cel- en weefselgedrag en biologische processen beïnvloeden als een veelbelovende weg in tissue engineering. Om te bepalen of cellen levensvatbaar bleven op collageen na druppelverdamping, Nerger et al. omvatte menselijke borstkanker of skeletspiercellen in de oplossing van collageen vóór drop-casting en verdamping. De borstkankercellen georiënteerd radiaal langs collageenvezels in de druppel, en de skeletspiercellen georiënteerd in de richting van collageenvezeluitlijning. Na vier dagen in celkweek, de skeletspiercellen differentieerden om meerkernige myotubes te vormen die in de richting van de collageenvezels door de druppel waren uitgelijnd. Om de invloed van collageen op differentiatie te bevestigen, de wetenschappers kweekten cellen op een glazen substraat onder dezelfde omstandigheden en merkten op dat de sarcomere structuren contrasterend kleiner en willekeurig georiënteerd waren. De gegevens toonden aan hoe verdampende druppeltjes collageen de celuitlijning en differentiatie over millimeterlengteschalen vormden.

Op deze manier, Bryan A. Nerger en collega's gebruikten Marangoni-stroom die wordt gegenereerd in verdampende druppeltjes van type I collageen om de zelfassemblage van collageen te reguleren en driedimensionale (3D) netwerken te produceren met afstembare vezeluitlijning, diameter en porositeit. Ze verhinderden volledige verdamping van de druppeltjes om 3D-gehydrateerde collageenvezelnetwerken te vormen om de groei en differentiatie van zoogdiercellen te ondersteunen. Het systeem heeft de potentie om een ​​eenvoudige, high-throughput-benadering om weefselexplantaten of organoïden op te nemen in uitgelijnde netwerken van collageen. De aanpak zal de productie mogelijk maken van fysiologisch relevante uitgelijnde weefselconstructies voor brede toepassingen in biowetenschappen en geneeskunde.

© 2020 Wetenschap X Netwerk