Neue Methode hilft, Ingenieur Gewebe mit eingebetteten nanoskaligen Netzwerken

Ein multi-institutional research-team hat eine Methode entwickelt, die für die Einbettung von Netzwerken von biokompatiblen nanoskalige Drähte innerhalb der engineered Gewebe. Diese Netzwerke—die Marke des erste mal, dass Elektronik und Gewebe wurden wirklich fusioniert in 3D—ermöglicht die direkte Gewebe-sensing und potenziell stimulation, die einen potentiellen Vorteil für die Entwicklung von technischen Geweben, die mit Funktionen zur überwachung und stimulation und der Geräte für das screening neuer Medikamente.

Das Forscher-team—angeführt von Daniel Kohane, M. D., Ph. D., in der Abteilung für Anästhesie am Boston Children ‚ s Hospital; Charles M. Lieber, Ph. D., der Harvard University und Robert Langer, ScD, am Massachusetts Institute of Technology—berichten über Ihre Arbeit online August 26, die in der Natur Materialien.

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von biotechnologisch hergestellten Geweben ist die Schaffung von Systemen, um zu spüren, was Los ist (z.B., chemisch, elektrisch) innerhalb eines Gewebes, nachdem es angebaut hat und/oder implantiert werden. Ähnlich, Forscher haben gekämpft, Methoden zu entwickeln, um direkt stimulieren engineered Gewebe und die Messung der zellulären Reaktionen.

„In den Körper, das vegetative Nervensystem verfolgt, pH-Wert, Chemie, Sauerstoff und andere Faktoren, und löst Reaktionen wie notwendig“, Kohane erklärt. „Wir müssen in der Lage zu imitieren die Art der inneren feedback-loops der Körper hat entwickelt, um eine ausgezeichnete Kontrolle auf der zellulären und Gewebe-Ebene.“

Mit dem autonomen Nervensystem als inspiration, ein postdoctoral fellow in der Kohane-Labor, Bozhi Tian, Ph. D., und seine Mitarbeiter gebaut, mesh-wie Netzwerke von nanoskaligen Silizium-Drähte—etwa 80 nm im Durchmesser, geformt wie flache Ebenen oder in einer „cotton-candy“-wie retikulären Konformation. Die Netzwerke sind porös genug, um das team zu Saatgut diese mit Zellen und Regen Sie die Zellen zu wachsen, in 3D-Kulturen.

„Die bisherigen Bemühungen zur Schaffung von biotechnologisch hergestellten sensing-Netzwerke haben sich auf 2D-layouts, wo Kultur wachsen die Zellen auf der Oberseite der elektronischen Komponenten, oder auf konforme layouts, in denen Sonden befinden sich auf Gewebe-Oberflächen,“ sagte Tian. „Es ist wünschenswert, ein genaues Bild der zellulären Verhalten innerhalb der 3D-Struktur des Gewebes, und es ist auch wichtig, um nanoskalige Sonden zur Vermeidung von Störungen von entweder Zell-oder Gewebe-Architektur.“

„Die aktuellen Methoden, die wir haben, die für die überwachung oder die Interaktion mit lebenden Systemen sind begrenzt“, sagte Lieber. „Wir können mit Elektroden Messen die Aktivität in Zellen oder Gewebe, aber die Schäden Ihnen. Mit dieser Technologie zum ersten mal können wir arbeiten in der gleichen Größenordnung wie die Einheit des biologischen Systems ohne Unterbrechung es. Letztlich ist dies über die Zusammenlegung Gewebe mit Elektronik in einer Weise, dass es schwierig wird, zu bestimmen, wo das Gewebe endet und der Elektronik beginnen.“

„So weit, dies ist der nächste Weg, den wir gekommen sind bis zur Einbindung in engineered Gewebe elektronischen Komponenten in der Nähe der Größe der Strukturen der extrazellulären matrix umgibt Zellen innerhalb von Geweben,“ Kohane Hinzugefügt.

Mit Herz-und Nerven-Zellen als Ausgangsmaterial und eine Auswahl von biokompatiblen Beschichtungen, die das team erfolgreich entwickelt, Gewebe mit eingebetteten nanoskaligen Netzwerken, ohne die Zellen Lebensfähigkeit oder Aktivität. Über die Netze, konnten die Forscher erkennen, die elektrische Signale erzeugt, die von Zellen tief in der engineered Gewebe, als auch die Messung der Veränderungen bei den Signalen in Reaktion auf cardio – oder neurostimulating Drogen.

Schließlich, die Mannschaft gezeigt, dass Sie bauen könnten, die von biotechnologisch hergestellten Gefäße mit embedded-Netzwerke-und nutzen diese Netzwerke zur Messung von pH-änderungen innerhalb und außerhalb der Blutgefäße—als würde man in Reaktion auf die Entzündung, Ischämie und anderen biochemischen oder zellulären Umgebungen.

„Diese Technologie könnte wiederum einige grundlegende Prinzipien der Biotechnik auf Ihren Kopf,“ Kohane sagte. „Die meisten der Zeit, zum Beispiel, ist Ihr Ziel, erstellen Gerüste, auf denen zu wachsen Gewebe und dann haben diejenigen, die Gerüste abzubauen und sich aufzulösen. Hier, das Gerüst bleibt und tatsächlich eine aktive Rolle spielt.“

Die team-Mitglieder finden Sie unter mehrere zukünftige Anwendungen für diese Technologie, hybrid biotechnologisch „cyborg“ Gewebe, das Einblick in Veränderungen im Körper und lösen Reaktionen (z.B., drug release, elektrische stimulation) aus anderen implantierten therapeutischen oder diagnostischen Geräte, um die Entwicklung von „lab-on-a-chip“ – Systeme, engineered Gewebe für das screening von Drogen-Bibliotheken.

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