Marangoni-strømme driver justeringen af ​​fibrillære celleladede hydrogeler

Når en stationær dråbe, der indeholder et opløst stof i et flygtigt opløsningsmiddel, fordamper, strømmen i dråben kan samle sig i komplekse mønstre. Forskere har undersøgt sådan transport i fordampende fastsiddende dråber i opløsningsmidler. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Bryan A. Nerger og et team af forskere inden for kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, og molekylærbiologi ved Princeton University, OS., demonstreret flow i fordampende vandige fastsiddende dråber indeholdende den selvsamlende polymer type I kollagen. Materialet kan bruges til at konstruere hydrerede netværk af justerede kollagenfibre. Teamet bemærkede Marangoni-effekten (et udtryk, der stammer fra spredning af oliedråber på vand) for at lede samlingen af ​​kollagenfibre hen over områder på millimeterskala i forhold til miljøfugtighed og dråbens geometriske form. Nerger et al. inkorporerede og dyrkede skeletmuskelceller i de fordampende dråber for at observere deres kollektive orientering og efterfølgende differentiering til myotuber som svar på de afstemte netværk af kollagen. Værket demonstrerer en enkel, afstembar og høj-throughput tilgang til at konstruere justerede fibrillære hydrogeler for at skabe cellefyldte biomimetiske materialer.

Det utal af faste aflejringsmønstre, der opstår fra fordampningsdrevet væskestrøm, blev først rapporteret af Robert Brown i 1828 og efterfølgende undersøgt for en række forskellige nutidige anvendelser, herunder mikrofabrikation og inkjet print. Kafferingen eller den udadgående radiale strømning kan også forekomme, når opløsningsmidlet er flygtigt, og Marangoni-strømmen drevet af den latente fordampningsvarme undertrykkes. Marangoni-strømme, der stammer fra termiske eller opløste drevne gradienter i overfladespænding, kan også generere recirkulerende strømme. Forskere har beskrevet flow i fordampende dråber hovedsageligt i forbindelse med partikler suspenderet i opløsningsmidler, der fuldstændigt fordamper. I dette arbejde, Nerger et al. viste, hvordan flow i fordampende dråber kunne regulere hastigheden af ​​protein-selvsamling og kontrollere justeringen af ​​fibrøse celleladede proteinnetværk. Teamet demonstrerede, at strømning i fordampning af vandige dråber af neutraliseret type I -kollagen genererede justerede kollagenfibernetværk.

De termiske og opløste drevne Marangoni-effekter tillod radial strømning i den fordampende dråbe at orientere kollagenfibre gennem selvsamling. Forskerne indstillede orienteringen af ​​fibre ved at ændre hastigheden for selvsamling, miljøfugtighed og dråbens geometri. Skeletmuskelcellerne, der er inkorporeret i de fordampende dråber, orienteret og differentieret til multinukleerede myotuber som reaktion på justeringen af ​​kollagenfibre, og kun en brøkdel af vandet fordampede fra dråben, giver anledning til en celleladet hydrogelkonstruktion. Den resulterende hydrogel har brede anvendelser til at designe biomimetiske stilladser til undersøgelser i vævsteknik, udviklingsbiologi og selvsamlende materialer.

Selvsamling af kollagenfibre i fordampende dråber af kollagen

Holdet dråbestøbte neutraliserede opløsninger af type I kollagen på ultraviolet (UV)/ozon-behandlede kulturskåle med glasbund ved at kontrollere den relative fugtighed (RH) af kulturskålene, før kollagen deponeres inde i skålen. De placerede derefter kulturskålen i en større forseglet petriskål for at starte selvsamling af kollagen. Kollagenkonstruktionerne samles selv, mens vandet fordamper fra dråben, og holdet visualiserede orienteringen af ​​kollagenfibre i tre forskellige områder af dråben inklusive kanten, nær kanten, og midten. Holdet observerede orienteringer af kollagenfibrene i dråben og viste deres variation inden for de fordampende dråber.

Nerger et al. inkorporerede fluorescerende perler i dråberne for at forstå, om orienteringen af ​​kollagenfibre korrelerede med de indre strømningsmønstre under fordampning. De observerede derefter bevægelsen af ​​perlerne og selvsamlingen af ​​kollagen for at antyde, at Marangoni-flowet drev recirkulation i de fordampende dråber. Perlebevægelserne var i overensstemmelse med mønstrene for collagenfiberjustering i hele dråben. Forskerne kvantificerede flowet ved at beregne tids- og ensemblegennemsnitlige parametre, inklusive middel-kvadratforskydning (MSD), total forskydning, og hastighed af perlebaner. Målingerne viste øget mobilitet for perler i den nære kant af dråben, mens den gennemsnitlige hastighed af perler var fem- til 10 gange højere i kant- eller midterområderne.

Tuning af kollagenfiberjustering og diameter

Nerger et al. dernæst udforskede kollagenfiberjusteringen i dråberne, hvor hastigheden af ​​Marangoni-strømmen var proportional med fordampningshastigheden. Indretningen af ​​kollagenfibre afhang af den flow-inducerede forskydningshastighed. Derfor, holdet antog, at de kunne justere kollagenjusteringen ved at justere RH-variationen (relativ fugtighed). Processen tillod dem også at kontrollere dråbefordampningshastigheden. De testede dette ved hjælp af rent vand og mættede saltopløsninger i kulturskålen og brugte konfokal reflektionsmikroskopi (CRM) for at vise, at kollagenfiberjusteringen faldt under de høje RH-betingelser, som vand eller natriumchlorid (NaCl) giver. Når de reducerede RH ved hjælp af lithiumbromid (LiBr), justeringsfraktionen faldt, samtidig med at kollagendiameteren øges på grund af reduceret kinetik af kollagen-selvsamling. RH regulerede justeringen af ​​kollagenfibre ved at regulere strømningshastighederne. Tilstrækkeligt store strømningshastigheder kunne derfor forstyrre dannelsen af ​​et stabilt kollagennetværk. Teamet varierede også pH-værdien i opløsningen og udledte collagenfiberjustering til at være en funktion af kinetikken ved selvsamling i en fordampende dråbe. Forskerne kunne kontrollere mønsteret for kollagenjustering ved at kontrollere dråbens geometri.

Mønstercellejustering til differentiering

Justerede netværk af kollagenfibre kan typisk påvirke fysiologisk celle- og vævsadfærd såvel som biologiske processer som en lovende vej inden for vævsteknologi. For at bestemme, om celler forblev levedygtige på kollagen efter dråbefordampning, Nerger et al. inkluderet human brystkræft eller skeletmuskelceller i opløsningen af ​​kollagen før dråbestøbning og fordampning. Brystkræftceller orienteret radialt langs kollagenfibre i dråben, og skeletmuskelcellerne orienteret i retning af kollagenfiberjustering. Efter fire dage i cellekultur, skeletmuskelcellerne differentierede til at danne multinukleerede myotuber justeret i retningen af ​​kollagenfibre i hele dråben. For at bekræfte kollagens indflydelse på differentiering, forskerne dyrkede celler på et glassubstrat under de samme betingelser og bemærkede, at de sarkomeriske strukturer var kontrasterende mindre og tilfældigt orienterede. Dataene demonstrerede, hvordan fordampende dråber af kollagen mønstrede cellejustering og differentiering på tværs af millimeterlængdeskalaer.

På denne måde Bryan A. Nerger og kolleger brugte Marangoni flow genereret i fordampende dråber af type I kollagen til at regulere selvsamlingen af ​​kollagen og producere tredimensionelle (3-D) netværk med justerbar fiberjustering, diameter og porøsitet. De forhindrede fuldstændig fordampning af dråberne til dannelse af 3D-hydratiserede kollagenfibernetværk for at understøtte pattedyrcellevækst og differentiering. Systemet har potentiale til at generere en enkel, high-throughput tilgang til at inkorporere vævseksplantater eller organoider i afstemte netværk af kollagen. Tilgangen vil tillade produktion af fysiologisk relevante tilpassede vævskonstruktioner til brede anvendelser inden for biovidenskab og medicin.

© 2020 Science X Network