Forskere bruger varm nano-mejsel til at skabe kunstige knogler i en petriskål

En hellig gral for ortopædisk forskning er en metode til ikke kun at skabe kunstigt knoglevæv, der præcist matcher den ægte vare, men gør det i så mikroskopiske detaljer, at det inkluderer bittesmå strukturer, der potentielt er vigtige for stamcelledifferentiering, som er nøglen til knogleregenerering.

Forskere ved NYU Tandon School of Engineering og New York Stem Cell Foundation Research Institute (NYSF) har taget et stort skridt ved at skabe den nøjagtige kopi af en knogle ved hjælp af et system, der parrer biotermisk billeddannelse med en opvarmet "nano-mejsel". I en undersøgelse, "Omkostnings- og tidseffektiv litografi af genanvendelige millimeterstørrelser knoglevævsreplikaer med sub-15 nm funktionsstørrelse på en biokompatibel polymer, " som står i journalen Avancerede funktionelle materialer , efterforskerne beskriver et system, der giver dem mulighed for at forme, i et biokompatibelt materiale, den nøjagtige struktur af knoglevævet, med egenskaber mindre end størrelsen af ​​et enkelt protein - en milliard gange mindre end en meter. Denne platform, hedder, bio-termisk scanning probe litografi (bio-tSPL), tager et "fotografi" af knoglevævet, og bruger derefter fotografiet til at fremstille en bonafide kopi af det.

Holdet, ledet af Elisa Riedo, professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NYU Tandon, og Giuseppe Maria de Peppo, en Ralph Lauren Senior Principal Investigator ved NYSF, demonstreret, at det er muligt at opskalere bio-tSPL til at producere knoglereplikaer i en størrelse, der er meningsfuld for biomedicinske undersøgelser og anvendelser, til en overkommelig pris. Disse knoglereplikaer understøtter væksten af ​​knogleceller, der stammer fra en patients egne stamceller, skabe mulighed for at være banebrydende for nye stamcelleapplikationer med et bredt forsknings- og terapeutisk potentiale. Denne teknologi kan revolutionere opdagelsen af ​​lægemidler og resultere i udviklingen af ​​bedre ortopædiske implantater og enheder.

Forskningen, "Omkostnings- og tidseffektiv litografi af genanvendelige millimeterstørrelser af knoglevævsreplikaer med sub-15 nm funktionsstørrelse på en biokompatibel polymer, " vises i Avancerede funktionelle materialer .

I den menneskelige krop, celler lever i specifikke miljøer, der kontrollerer deres adfærd og understøtter vævsregenerering via tilvejebringelse af morfologiske og kemiske signaler på molekylær skala. I særdeleshed, knoglestamceller er indlejret i en matrix af fibre – aggregater af kollagenmolekyler, knogleproteiner, og mineraler. Den hierarkiske knoglestruktur består af en samling af mikro- og nanostrukturer, hvis kompleksitet har hindret deres replikering med standard fabrikationsmetoder hidtil.

"tSPL er en kraftfuld nanofremstillingsmetode, som mit laboratorium var pioner for et par år siden, og det er på nuværende tidspunkt implementeret ved at bruge et kommercielt tilgængeligt instrument, NanoFrazor, sagde Riedo. indtil i dag, begrænsninger med hensyn til gennemløb og biokompatibilitet af materialerne har forhindret dets anvendelse i biologisk forskning. Vi er meget begejstrede for at have brudt disse barrierer og over at have ført tSPL ind i området for biomedicinske applikationer."

Dets tids- og omkostningseffektivitet, såvel som cellekompatibiliteten og genanvendeligheden af ​​knoglereplikaerne, gør bio-tSPL til en overkommelig platform til produktion af overflader, der perfekt gengiver ethvert biologisk væv med hidtil uset præcision.

"Jeg er begejstret for præcisionen opnået ved brug af bio-tSPL. Knoglemimetiske overflader, som den, der er gengivet i denne undersøgelse, skabe unikke muligheder for at forstå cellebiologi og modellere knoglesygdomme, og for at udvikle mere avancerede lægemiddelscreeningsplatforme, " sagde de Peppo. "Som vævsingeniør, Jeg er især begejstret for, at denne nye platform også kan hjælpe os med at skabe mere effektive ortopædiske implantater til behandling af skelet- og kæbedefekter som følge af skade eller sygdom."