Kollagenhydrogele
Kollagenhydrogele wirken als biologisch kompatible dreidimensionale Struktur, ähnlich der von nativem Gewebe, die die Entwicklung von künstlichem Gewebe erleichtert. Kollagen, der Hauptbestandteil dieser Gele, ist ein extrazelluläres Matrixprotein, das im Bindegewebe vorkommt. Und wird zur Herstellung von Hydrogelen verwendet, bei denen es sich um 3D-Polymernetzwerke handelt, die hauptsächlich aus Wasser bestehen. In diesem Video wird die physiologische Rolle von Kollagen, ein Verfahren zur Isolierung und Verarbeitung von Kollagen aus Schweinehaut, die Herstellung von Hydrogelen aus dem gereinigten Protein und schließlich einige Anwendungen für die Verwendung dieser Kollagenhydrogele vorgestellt.
Innerhalb der extrazellulären Matrix des Bindegewebes gibt es spezifische Zellen, die für die Mehrheit der Kollagenproduktion verantwortlich sind, die Fibroblasten genannt werden. Diese Zellen produzieren lange, steife Polypeptidketten. Die zu einzelnen dreifach helikal geordneten Polymeren zusammengesetzt sind, die als Kollagenmoleküle bezeichnet werden. Kollagenmoleküle werden dann weiter zu dickeren und größeren Fibrillen gebündelt. Die dann noch weiter zu größeren Fasern gebündelt werden, um der extrazellulären Matrix strukturelle Integrität für die verschiedenen mechanischen Belastungen zu verleihen, die sie erfahren kann. Verschiedene Konfigurationen des Kollagens werden entsprechend dem mechanischen Bedarf von spezifischen Geweben produziert. Knochengewebe zum Beispiel nutzt ein sehr kompaktes, intensives Netzwerk von Fasern, um mechanischen Belastungen standzuhalten. Andere Gewebe, wie die Darmwand, verwenden jedoch eine dispergiertere Struktur. Einmal aus dem Bindegewebe extrahiert, kann das Kollagenpolymer zur Herstellung verschiedener Materialien verwendet werden. Da Kollagen ein hydrophiles Polymer ist, ist es sehr saugfähig. Somit kann es ein Hydrogel bilden, ein Polymernetzwerk, das bis zu 90% Wasser enthält. Diese Polymernetzwerke werden durch Vernetzung einzelner Polymerketten mit verschiedenen Methoden gebildet. B. chemische Vernetzer, Hitze oder UV-Licht. Der Vernetzungsgrad beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels. Somit können diese Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Nachdem nun die Prinzipien der Kollagenhydrogele erklärt wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie Kollagen aus der Schweinehaut extrahiert und zur Herstellung eines Hydrogels verwendet wird.
Um mit der Verarbeitung von Kollagen aus einer Hautprobe zu beginnen, spülen Sie diese zuerst in eiskaltem destilliertem Wasser aus und verwenden Sie dann eine Enthaarungscreme zur Woll-, Pelz- oder Haarentfernung. Kratzen Sie die Probe mit einer einschneidigen Rasierklinge von Bindegewebe und Fett ab und spülen Sie sie erneut in eiskaltem Wasser aus. Dann schneiden Sie die Hautprobe in Zentimeter quadratische Stücke. Um das nicht kollagene solubilisierte Material zu entfernen, wiegen Sie zuerst 5 Gramm Hautquadrate pro konisches 50-Milliliter-Röhrchen ab und geben Sie dann 30 Milliliter eiskaltes 0,5-molares Natriumacetat zu jeder Probe. Mischen Sie dann die Röhrchen in einem Tischhomogenisator. Nach einer Minute den Überstand verwerfen und die Proben erneut in eiskaltem Natriumacetat für insgesamt sieben Waschzyklen mischen. Spülen Sie die Probe nach dem letzten Waschen in eiskaltem destilliertem Wasser und mischen Sie sie noch einmal, um das restliche Natriumacetat zu entfernen. Drücken Sie dann die Probe gegen das Röhrchen, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen, und übertragen Sie jede verarbeitete 5-Gramm-Hautprobe in frische konische 50-Milliliter-Röhrchen. Um das Kollagen zu extrahieren, waschen Sie die Probe zweimal in 2 Milliliter .075 Molarer Natriumcitratpuffer pro Gramm Probe. Verwerfen Sie die Überstände und komprimieren Sie die Proben, nachdem jede Wäsche zuvor nachgewiesen wurde. Fügen Sie nach dem zweiten Waschen ein frisches Aliquot Natriumcitratpuffer hinzu und führen Sie dann sechs aufeinanderfolgende Rührzyklen durch, ohne den Puffer zwischen jedem Zyklus zu entfernen. Übertragen Sie nun die Überstände in einzelne Sammelröhrchen und fügen Sie einen zusätzlichen Milliliter hinzu .075 Molarer Natriumcitratpuffer pro Gramm Probe vor Durchführung eines abschließenden Rührzyklus. Als nächstes zentrifugieren Sie den Überstand erneut in einer Zentrifugalfiltervorrichtung, um das extrahierte Kollagen zu reinigen. Lagern Sie das gereinigte Wasser schließlich bei 4 Grad Celsius.
Nun, da das Kollagen gereinigt wurde, kann ein Kollagenhydrogel hergestellt und mit Zellen besiedelt werden, um ein konstruiertes Gewebekonstrukt zu bilden. Mischen Sie zunächst das gereinigte Hautkollagen gründlich in einem konischen Röhrchen. Dann fügen Sie die Zellen sofort der Kollagenlösung hinzu und legen Sie sie auf Eis. Pipettieren Sie die eiskalte Mischung in eine sterile, nicht gewebekulturbehandelte Oberfläche, um die Anhaftung und das Wachstum von Zellen außerhalb des Kollagengels zu minimieren. Verwenden Sie eine Pipettenspitze, um die Lösung gleichmäßig zu verteilen. Lassen Sie das Gel etwa 10 bis 15 Minuten bei Raumtemperatur polymerisieren. Decken Sie anschließend die Gele ab und bringen Sie sie für weitere 60 Minuten in einen Inkubator mit 37 Grad Celsius, um die Polymerisation abzuschließen. Bei der Polymerisation wird das Gel undurchsichtig. Nach dem Polymerisieren zwei bis drei Milliliter Medien hinzufügen. Dann ist das besiedelte Hydrogel bereit, in Gewebekulturstudien verwendet zu werden.
Nachdem Sie nun gelernt haben, Kollagenhydrogele zu konstruieren, schauen wir uns einige praktische Anwendungen dieser Materialien an. Kollagenhydrogele werden häufig verwendet, um natives Gewebe nachzuahmen, wie hier gezeigt. Veränderungen in der Kollagenfaserorganisation können jedoch im natürlichen Gewebe auftreten. Was zu ausgerichteten Strukturen führt. Infolgedessen können konstruierte Kollagenmatrizen entweder in zufälligen oder ausgerichteten Konfigurationen konstruiert werden. Kollagenhydrogele werden häufig als Gewebsgerüste für die Entwicklung künstlicher Gewebe verwendet. Indem man eine kundengebundene dreidimensionale Struktur zur Verfügung stellt, damit Zellen bewohnen, wird die Kollagenmatrix nachher reorganisiert, um die Struktur und die Funktion des wirklichen Gewebes nachzuahmen. Beispielsweise können Gerüste mit Osteoblasten, den für die Knochenbildung verantwortlichen Zellen, bestückt werden, um die Matrix so zu reorganisieren, dass sie der Struktur und Funktion von nativem Knochengewebe ähnlicher ist.
Sie haben gerade Joves Einführung in Kollagenhydrogele gesehen. Sie sollten jetzt die Kollagenstruktur, ihre Isolierung und die Herstellung von Kollagenhydrogelen sowie ihre verschiedenen Anwendungen im Bereich der Biotechnik verstehen. Danke fürs Zuschauen!
