Bioinspirerede elektromekaniske nanogeneratorer til at regulere celleaktivitet

Den ekstracellulære matrix (ECM) inklusive tredimensionelt (3D) netværk og bioelektricitet kan i høj grad påvirke celleudvikling, migration, og funktionelt udtryk. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Tong Li og et forskerhold i kemi, nanoteknologi, bioelektronik og avancerede materialer i Kina, udviklet en elektromekanisk kobling bio-nanogenerator forkortet bio-NG inspireret af biofysiske signaler fra den ekstracellulære matrix. Enheden indeholdt meget diskrete piezoelektriske fibre til at generere piezopotentiale på op til millivolt for at give in situ elektrisk stimulering til levende celler.

Det unikke 3D-rum i bio-NG'erne gav et ECM-lignende miljø for at fremme cellevækst. Bio-NG'erne fremmede effektivt cellelevedygtighed og udvikling for at opretholde dets specifikke funktionelle udtryk. Forskere forventer, at de nye og avancerede bio-NG'er efterligner kompleksiteten af ​​den ekstracellulære matrix og giver et fysiologisk relevant in vivo biologisk system. Enheden fremmede effektivt cellelevedygtighed og udvikling for at opretholde dets specifikke funktionelle udtryk. Li et al. forventer, at den nye og avancerede version af bio-nanogeneratorer giver et fysiologisk relevant in vivo biologisk system til at erstatte unøjagtige 2D-systemer og dyremodeller.

Vejledning til celler

I dette arbejde, Li et al. skitserede en praktisk strategi for trådløs elektrisk stimulering af celler og væv for at reparere og opretholde cellefunktion. Bioelektricitet er et biofysisk signal, der giver vejledning til cellevækst og -differentiering under embryonal udvikling og vævsregenerering. Endogen bioelektricitet findes i cytoplasmaet og det ekstracellulære rum, at give forskere en ressource til elektrisk stimulering af excitable celler og regulering af cellulær aktivitet til biomedicinske anvendelser. De fleste behandlingsmetoder kræver en ekstern energiinput og ledningsforbindelse for at påføre eksterne elektriske impulser gennem implanterede mikroenheder. Den seneste udvikling inden for nanoteknologi har muliggjort elektrodeløse og batterifrie behandlinger, som omfatter brugen af ​​nanogeneratorer til hjernestimulering, hårregenerering og sårheling. Imidlertid, de fleste af dem kræver en velaccepteret løsning til elektrisk stimulering af de funktionelle celler. Li et al. blev derfor inspireret af den biologiske funktion og mikrostruktur af kollagenfibre i den ekstracellulære matrix til at danne bio-NG'er sammensat af meget diskrete piezoelektriske elektrospundne fibre for at give celler et fysisk relevant mikromiljø. Bio-NG-celle-interaktionen gælder for in vivo-miljøer for at reducere inflammation, inducere hepatocytproliferation, og fremskynde angiogenese, samt fremme leverreparation.

Danner de bioinspirerede elektromekaniske bio-NG'er .

Under forsøgene, forskerholdet introducerede magnetiske nanopartikler af jernoxid i polyacrylonitril for at forberede meget diskrete fibre til brug som en magnetisk-assisteret elektrospinningsenhed. Under elektrospinning, opsætningen muliggjorde dannelsen af ​​stilladser med godt forbundne porer og diskrete fibre til cellefri migration. For at forberede et tættere på-in-vivo mikromiljø, holdet bidrog også med bioelektricitet som et biofysisk signal. For at opnå dette, forskerne udviklede et målstillads til at fremme celleinteraktion og adhæsion med fibre. Den elektromekaniske kobling af bio-NG'er samlet af stilladset fremmede transmissionen og kommunikationen af ​​signaler mellem celler for at efterligne de bioelektriske virkninger af kollagenfibriller eller fibre i den ekstracellulære matrix. Holdet simulerede og studerede det piezoelektriske potentiale genereret fra cellekraft i bio-NG'er ved hjælp af finite element analyse. For at opnå dette, de påførte en belastningskraft på celle-fiber-kontakten og målte først piezoelektriciteten af ​​en enkelt fiber i bio-NG'er ved hjælp af piezoelektrisk kraftmikroskopi. De eksperimentelle spændingssignaler validerede bio-NG'ernes teoretiske piezoelektricitet.

Karakterisering af bio-NG'erne og regulering af celleaktivitet

For at undersøge informationen om fibrene i bio-NG'er, holdet brugte Fourier Transform Infrared (FTIR) og X-ray diffraction (XRD) spektre. De undersøgte derefter de termodynamiske egenskaber af de piezoelektriske fibre i bio-NG'er ved hjælp af differential scanning calorimetry (DSC) termogrammer og udførte cykliske voltammogramundersøgelser for at teste ladningslagrings- og transmissionsegenskaberne af de piezoelektriske fibre i bio-NG'er. Holdet testede derefter fibrenes trykfasthed og mekaniske egenskaber ved først at danne cylindriske former af dem og komprimere stilladserne for at forstå den fremragende elasticitet af konstruktionerne. Fibrenes mekaniske egenskaber og elasticitet sikrede, at bio-NG'erne effektivt kunne opretholde en stor nok porestørrelse og stabilt 3D-vækstmikromiljø til cellebevægelse og vækst. Holdet undersøgte også NG-celle-interaktionen i 3D-rum med to forskellige cellelinjer inklusive

retinal ganglioncelle 5 (RGC5) og primære hepatocytter. Cellerne indeholdt spændingsstyrede calciumkanaler i deres membraner, og andre var bevægelige celler med høje metaboliske funktioner. Ved hjælp af todimensionelle nanogeneratorer (NG'er) og ikke-piezoelektriske 3D-fibre studerede holdet virkningerne af 3D-rum og elektrisk stimulation på celler. Dataene viste, hvordan bio-NG'erne kunne give et biovenligt cellekulturmikromiljø til yderligere eksperimenter.

Fremme in vivo leverreparation med bio-NG'er

Forskerne implanterede derefter bio-NG'erne i et område med leverskade i forhold til hepatocytregenerering for at afspejle deres praktiske funktion. For at opnå dette, de brugte Sprague-Dawley rotter til at fremkalde leverskade. Efter fire ugers implantation af bio-NG'erne, holdet fjernede implantaterne og undersøgte inflammation ved hjælp af histologisk farvning. De bemærkede mild betændelse i den første uge, som blev forbedret i den anden uge og reduceret til normale niveauer i den fjerde uge. Alle andre organer viste ikke deformation eller unormal lymfatisk celleinvasion for at indikere gode helbredsforhold uden systematiske bivirkninger. Den observerede regenerative proces fremhævede et nyt blodcirkulationssystem, der blev dannet inde i regenereret levervæv for at foreslå interaktionen af ​​bio-NG'er med celler for at reducere inflammation og fremme vævsreparation.

Langsigtet stabilitet og biokompatibilitet af bio-NG'er in vivo

NG-celle-interaktionen fremmede effektivt cellelevedygtighed og opretholdt dens funktionelle ekspression in vitro og in vivo for at give en behandlingsstrategi for kliniske forsøg. Til vævsregenerering, det er mest effektivt at transplantere funktionelle celler direkte ind i det beskadigede sted in vivo. For yderligere undersøgelser, holdet implanterede bio-NG'erne i gastrocnemius muskelområdet omkring iskiasnerven hos rotter for at detektere stabiliteten af ​​bio-NG'erne in vivo. Li et al. fjernede derefter implantaterne efter otte uger og analyserede inflammation for at vise god biokompatibilitet af bio-NG'er i længere perioder i biologiske miljøer uden systemiske bivirkninger. Konstruktionerne er lovende som implantater til in vivo regenerativ reparation.

Outlook

På denne måde 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