Wie verwenden Sie silk, um zu helfen reparieren Sie ein beschädigtes Herz? Mit einem 3-D-Drucker, Trockeneis, eine Silikon-Form und eine Kupfer-Platte, als UNSW biomedizinische Ingenieure gezeigt haben.
Biomedizinische Ingenieure sind einen Schritt näher an der Entwicklung von Herz-patches für beschädigte Herzen nach der Perfektionierung einer Methode, um Biomaterialien, die fördern das Wachstum von Stammzellen des Herzens.
UNSW Sydney Graduate School of Biomedical Engineering Dr. Jelena Rnjak-Kovacina und Ph. D. student Habib Joukhdar wurden die Entwicklung neuer Möglichkeiten der Nutzung von Seide—ein biomaterial, das optimal geeignet ist für die Herz-patch—als material, um die gesunden Stammzellen des Herzens verbinden sich und wachsen.
Die Idee hinter Herz-patches zu wachsen Herzgewebe im Labor mit Seide als eine Art Gerüst, dass die Züge isolierten Stammzellen des Herzens zu wachsen, in einer Weise, die imitiert das native Gewebe zu ersetzen Narbe Gewebe in einem Patienten am Herzen. Eine der Herausforderungen wird immer Zellen ordnen sich in die in hohem Maße organisiert, ausgerichtet Weise des Herzmuskels.
Wenn Zellen wachsen können, in einer Weise, die imitiert die Struktur und Anordnung der Herzmuskel dann Forscher sind ein Schritt näher an der Herstellung von funktionellen Herz-patches. Aber wie wollen Sie machen, wachsen die Zellen in der gewünschten Weise im Labor so, dass Sie ähnlich Herzmuskelzellen (kardiomyozyten) in ein lebendes, schlagendes Herz?
Dies ist, wo die Forschung von Dr. Rnjak-Kovacina und Herr Joukhdar den Anfang machen Fortschritte. Dr. Rnjak-Kovacina set Mr Joukhdar das problem der Suche nach der beste Weg, um die Kontrolle der Architektur der Seide, die Zellen wachsen in.
Herr Joukhdar antwortete auf die Herausforderung durch das erstellen von benutzerdefinierten Formen aus Silizium mit einem 3-D-Drucker. Als Nächstes goss er eine Lösung von Seide und Wasser in die Form, die er dann platziert auf einer Kupferplatte gekühlt durch Trockeneis. Langsam, das Wasser in der silk-Lösung begann sich zu drehen, um Eis, das einfrieren kontinuierlich in einer einzigen Richtung von der Unterseite der Form, bis es erreicht die Spitze die Lösung.
Nach Gefriertrocknung wird der block von frozen silk, Herr Joukhdar effektiv beraubt das Eis von ihm, so dass es mit länglichen Poren läuft in eine einzige Richtung. Die Struktur der Seide folgt nun die genaue Struktur der eiskristalle, und es stellt sich heraus, das ist bemerkenswert ähnlich zu der Konfiguration des Herzmuskels auf der Mikroebene.
„Wir kontrollieren die Struktur der Seide, Gerüst, indem Sie einfach die Steuern Wasser einfrieren in es. Dies ermöglicht es uns, erstellen Sie eine Vorlage von dieser sehr komplizierten Architekturen innerhalb des Gerüsts, was wiederum die Kontrolle, wie sich die Zellen Verhalten“, sagt Dr. Rnjak-Kovacina.
Herr Joukhdar erklärt, dass ein entscheidender Teil der gefrierprozess ist, dass Wasser zu Eis gefriert nach und nach in eine Richtung bewegt, anstatt aus allen Richtungen, als passieren würde, in einem herkömmlichen Gefrierfach.
„Seide ist ein protein. Als das Eis beginnt zu wachsen durch die Seide Lösung, die dieses protein versammelt sich um den wachsenden Eis“, sagt er. „Als das Eis nach oben bewegt, drückt es das protein aus dem Weg. Dann, wenn es ganz gefroren ist, können Sie einfrieren, trocknen, und entfernen Sie das Eis. So dass man am Ende mit Poren, die eine negative Besetzung in der Seide von dem, was verwendet werden, um das Eis.“
Alles über Steuern
Es scheint einfach genug, aber timing, Temperatur und einfrieren von Preisen sind der Schlüssel zu konstruieren Seide mit Poren, die richtige Form und Struktur, die erlauben würde, die das Wachstum der kardiomyozyten.
„Wenn Sie änderungen in der Eis-Struktur, ändern Sie die pore Morphologie der Seide, die Struktur hinter sich gelassen. Zum ändern der Eis-Struktur, die Sie gerade mit Chaos, wie schnell Sie sich einfrieren es, die Höhe der Seide, die Sie verwenden oder die Art der Seide zu verwenden, da jede form friert unterschiedlich, resultierend in einem anderen pore Morphologie. Zum Beispiel könnten Sie die letzten Poren breiter, indem Sie mehr Seide, mehr Dürre, durch einfrieren weniger Seide oder kreisförmig durch das einfrieren eine andere Art von Seide.“
Dr. Rnjak-Kovacina sagt, dass Ihre Forschung in eisigen Seide Lösungen und Experimentieren mit verschiedenen biomaterial-Architekturen machen es zu einem viel billiger und zugänglicher Prozess als das, was derzeit in biomedizinischen Labors. Es könnte auch verwendet werden, um verschiedene Vorlagen, die von anderen Gewebestrukturen im menschlichen Körper.
„Es ist ein sehr zugängliches system, dass Habib zu perfektionieren“, sagt Sie. „Ich denke, dass viel mehr Labore auf der ganzen Welt verwenden dieses neue design. Im moment ist das Niveau der Kontrolle von Biomaterialien ist nur ein paar Gruppen auf der ganzen Welt, denn es ist viel teurer und die erforderliche Ausrüstung ist das viel komplizierter.
„Wir sind mit einem 3-D-Drucker, Silikon -, Seide -, Wasser -, trocken-Eis, und eine Kupfer-Platte.“