De extracellulaire matrix (ECM) inclusief driedimensionaal (3D) netwerk en bio-elektriciteit kan de celontwikkeling diepgaand beïnvloeden, migratie, en functionele expressie. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Tong Li en een onderzoeksteam in de chemie, nanotechnologie, bio-elektronica en geavanceerde materialen in China, ontwikkelde een elektromechanische koppeling bio-nanogenerator afgekort bio-NG geïnspireerd door biofysische aanwijzingen van de extracellulaire matrix. Het apparaat bevat zeer discrete piëzo-elektrische vezels om piëzo-potentiaal te genereren tot millivolt om in situ elektrische stimulatie voor levende cellen te verschaffen.

De unieke 3D-ruimte binnen de bio-NG's zorgde voor een ECM-achtige omgeving om celgroei te bevorderen. De bio-NG's bevorderden effectief de levensvatbaarheid en ontwikkeling van de cellen om de specifieke functionele expressie ervan te behouden. Onderzoekers verwachten dat de nieuwe en geavanceerde bio-NG's de complexiteit van de extracellulaire matrix nabootsen en een fysiologisch relevant in vivo biologisch systeem bieden. Het apparaat bevorderde effectief de levensvatbaarheid en ontwikkeling van cellen om zijn specifieke functionele expressie te behouden. Li et al. verwachten dat de nieuwe en geavanceerde versie van bio-nanogeneratoren een fysiologisch relevant in vivo biologisch systeem zal bieden om onnauwkeurige 2D-systemen en diermodellen te vervangen.

Richtlijnen voor cellen

In dit werk, Li et al. schetste een praktische strategie voor draadloze elektrische stimulatie van cellen en weefsels om de celfunctie te herstellen en in stand te houden. Bio-elektriciteit is een biofysische aanwijzing die een leidraad biedt voor celgroei en differentiatie tijdens embryonale ontwikkeling en weefselregeneratie. Endogene bio-elektriciteit bestaat in het cytoplasma en de extracellulaire ruimte, wetenschappers een hulpmiddel bieden voor elektrische stimulatie van prikkelbare cellen en het reguleren van cellulaire activiteit voor biomedische toepassingen. De meeste behandelmethoden vereisen een externe energie-invoer en draadverbinding om externe elektrische pulsen toe te passen via geïmplanteerde microdevices. Recente ontwikkelingen in nanotechnologie hebben elektrodeloze en batterijloze behandelingen mogelijk gemaakt, waaronder het gebruik van nanogeneratoren voor hersenstimulatie, haarregeneratie en wondgenezing. Echter, de meeste van hen hebben een algemeen aanvaarde oplossing nodig om de functionele cellen elektrisch te stimuleren. Li et al. werden daarom geïnspireerd door de biologische functie en microstructuur van collageenvezels in de extracellulaire matrix om bio-NG's te vormen die zijn samengesteld uit zeer discrete piëzo-elektrische elektrospunvezels om cellen te voorzien van een fysiek relevante micro-omgeving. De bio-NG-cel interactie is van toepassing op in vivo omgevingen om ontstekingen te verminderen, proliferatie van hepatocyten induceren, en versnellen angiogenese, evenals het bevorderen van leverherstel.

De bio-geïnspireerde elektromechanische bio-NG's vormen .

Tijdens de experimenten, het onderzoeksteam introduceerde ijzeroxide magnetische nanodeeltjes in polyacrylonitril om zeer discrete vezels voor te bereiden voor gebruik als een magnetisch ondersteund elektrospinapparaat. Tijdens het elektrospinnen, de opstelling maakte de vorming van steigers met goed onderling verbonden poriën en discrete vezels mogelijk voor celvrije migratie. Om een ​​meer in vivo micro-omgeving voor te bereiden, het team gaf ook bio-elektriciteit als een biofysisch signaal. Om dit te bereiken, de wetenschappers ontwikkelden een doelsteiger om celinteractie en adhesie met vezels te bevorderen. De elektromechanische koppeling van bio-NG's geassembleerd door de steiger bevorderde de transmissie en communicatie van signalen tussen cellen om de bio-elektrische effecten van collageenfibrillen of -vezels in de extracellulaire matrix na te bootsen. Het team simuleerde en bestudeerde het piëzo-elektrische potentieel dat wordt gegenereerd door celkracht in bio-NG's met behulp van eindige-elementenanalyse. Om dit te bereiken, ze oefenden een belastingskracht uit op het celvezelcontact en maten eerst de piëzo-elektriciteit van een enkele vezel in bio-NG's met behulp van piëzo-elektrische krachtmicroscopie. De experimentele spanningssignalen valideerden de theoretische piëzo-elektriciteit van de bio-NG's.

De bio-NG's karakteriseren en celactiviteit reguleren

Om de informatie van de vezels in bio-NG's te onderzoeken, het team gebruikte Fourier Transform Infrared (FTIR) en röntgendiffractie (XRD) spectra. Ze bestudeerden vervolgens de thermodynamische eigenschappen van de piëzo-elektrische vezels in bio-NG's met behulp van differentiële scanning calorimetrie (DSC) thermogrammen en voerden cyclische voltammogramstudies uit om de ladingsopslag- en transmissie-eigenschappen van de piëzo-elektrische vezels in bio-NG's te testen. Het team testte vervolgens de compressieve veerkracht en mechanische eigenschappen van de vezels door er eerst cilindrische vormen van te vormen en de steigers samen te drukken om de uitstekende veerkracht van de constructies te begrijpen. De mechanische eigenschappen en veerkracht van de vezels zorgden ervoor dat de bio-NG's effectief een voldoende grote poriegrootte en een stabiele 3D-groeimicro-omgeving konden behouden voor celbeweging en groei. Het team onderzocht ook de NG-celinteractie in de 3D-ruimte met twee verschillende cellijnen, waaronder:

retinale ganglioncel 5 (RGC5) en primaire hepatocyten. De cellen bevatten spanningsafhankelijke calciumkanalen in hun membranen en andere waren beweeglijke cellen met hoge metabolische functies. Met behulp van tweedimensionale nanogeneratoren (NG's) en niet-piëzo-elektrische 3D-vezels bestudeerde het team de effecten van 3D-ruimte en elektrische stimulatie op cellen. De gegevens lieten zien hoe de bio-NG's een biovriendelijke micro-omgeving voor celcultuur kunnen bieden voor verdere experimenten.

Bevordering van in vivo leverherstel met bio-NG's

De wetenschappers implanteerden vervolgens de bio-NG's in een gebied van leverbeschadiging ten opzichte van hepatocytregeneratie om hun bruikbaarheid te weerspiegelen. Om dit te bereiken, ze gebruikten Sprague-Dawley-ratten om leverbeschadiging te veroorzaken. Na vier weken implantatie van de bio-NG's, het team verwijderde de implantaten en bestudeerde ontstekingen met behulp van histologische kleuring. Ze merkten een milde ontsteking op in de eerste week, die in de tweede week verbeterde en tegen de vierde week tot een normaal niveau was gedaald. Alle andere organen vertoonden geen vervorming of abnormale lymfatische celinvasie om te wijzen op goede gezondheidstoestanden zonder systematische bijwerkingen. Het waargenomen regeneratieve proces benadrukte een nieuw bloedcirculatiesysteem dat zich vormde in geregenereerd leverweefsel om de interactie van bio-NG's met cellen te suggereren om ontstekingen te verminderen en weefselherstel te bevorderen.

Lange termijn stabiliteit en biocompatibiliteit van bio-NG's in vivo

De NG-celinteractie bevorderde op efficiënte wijze de levensvatbaarheid van de cellen en handhaafde de functionele expressie ervan in vitro en in vivo om een ​​behandelingsstrategie voor klinische onderzoeken te bieden. Voor weefselregeneratie, het is het meest effectief om functionele cellen in vivo direct in de beschadigde plaats te transplanteren. Voor aanvullende onderzoeken, het team implanteerde de bio-NG's in het gastrocnemius-spiergebied rond de heupzenuw van ratten om de stabiliteit van de bio-NG's in vivo te detecteren. Li et al. verwijderde vervolgens de implantaten na acht weken en analyseerde de ontsteking om een ​​goede biocompatibiliteit van bio-NG's voor langere tijd in biologische omgevingen aan te tonen zonder enige systemische bijwerkingen. De constructies zijn veelbelovend als implantaten voor in vivo regeneratief herstel.

Outlook

Op deze manier, Tong Li and colleagues developed extracellular matrix-like electromechanical coupling bio-nanogenerators (bio-NGs) to regulate cell activity and maintain its specific functional expression. The product created a local voltage potential to stimulate living cells as long as they remained motile. The unique environment facilitated cell culture in bio-NGs to trigger the opening of ion channels present in the cellular plasma membrane to achieve electrical stimulation at the single-cell level. The process offers great potential for bioelectronic medicine and cell-targeted local electrical impulses. The new method can replace inaccurate 2D systems and time-consuming animal models to provide a biomimetic, physiological microenvironment for accelerated tissue regeneration and bioinspired electronic medicine.

© 2021 Science X Network