Polymer based extracellular matrix mimetics for 3D cell culture

Abstract

Tissue engineering combines engineering principles and knowledge of life sciences to improve biological substituents. Three dimensional (3D) supporting structures, namely scaffolds obtained from biomaterials to mimic extracellular matrix (ECM) that provides suitable microenvironment for cell proliferation, migration and differentiation. In this study, poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLLCL) and collagen type I was used to fabricate scaffold by electrospinning method. In literature, collagen was often dissolved in toxic and harmful solvents that creates the major problem for cell culture applications. To overcome this problem “co-spinning” methodology is utilized for the formation of non-toxic collagen-based ECM mimetic scaffold. Collagen mixed with water-soluble carrier materials which is either polyvinylpyrrolidone (PVP) or polyvinyl alcohol (PVA) and co-electrospinning is carried out with PLLCL. Fabricated scaffolds were immersed into water to remove co-spinning agent; PVA or PVP, so only PLLCL/Collagen remained. PLLCL has homogeneous fibers in a diameter of 1.312 ± 0.22μm. The contact angle of PLLCL (136.6° ± 2.6) proved hydrophobic behavior of PLLCL material. The contact angle of the scaffold decreased up to 86.7° ± 0.1 confirming that hydrophobic behavior is decreased with the addition of collagen. Also, collagen-containing scaffolds were saturated at lower amount of protein than PLLCL, PLLCL/PVA and PLLCL/PVP scaffolds. Cytotoxicity analysis of scaffolds showed that PVA containing scaffolds had lower viability than PVP containing scaffolds; so most of the cell studies were carried out with PLLCL/ Collagen scaffolds fabricated by PVP cospinning. Cell proliferation on PLLCL/Collagen scaffolds found to be more favorable than PLLCL and PLLCL/PVP scaffolds.

Doku mühendisliği, biyolojik oluşumları geliştirmek için mühendislik prensiplerini ve yaşam bilimleri bilgisini birleştirir. İskele olarak adlandırılan üç boyutlu (3D) destekleyici yapılar biyomalzemelerden elde edilerek, hücre çoğalması, göçü ve farklılaşması için uygun mikro ortamı sağlayan hücre dışı matrisi (ECM) taklit ederler. Bu çalışmada, poli (L-laktit-ko-ε-kaprolakton) (PLLCL) ve kolajen tip I, elektro-eğirme yöntemi ile iskeleleri üretmek için kullanılmıştır. Literatürde, kolajen sıklıkla hücre kültürü uygulamaları için önemli bir problem oluşturan zehirli ve zararlı çözücüler içinde çözülmüştür. Bu problemin üstesinden gelmek için toksik olmayan kolajen bazlı ECM mimetik iskele oluşumu için “eş zamanlı eğirme” metodolojisi kullanıldı. Kolajen, suda çözünen taşıyıcı polivinilpirrolidon (PVP) veya polivinil alkol (PVA) ile karıştırılarak PLLCL ile eş zamanlı elektro-eğirme işlemi uygulandı. Üretilen iskeleden PVA veya PVP eş zamanlı eğirme ajanı uzaklaştırılarak sadece PLLCL/ Kolajen kalır. PLLCL, 1.312 ± 0.22μm çapında homojen liflere sahiptir. PLLCL’un temas açısı (136.6° ± 2.6), mazlemenin hidrofobik özelliğini kanıtlamaktadır. İskelenin temas açısı 86.7° ± 0.1’ye düşmesi, kolajenin ilavesiyle hidrofobik davranışın azaldığını doğrulamaktadır. Ayrıca protein adsorbsiyon analizinde kolajen içeren iskeleler, PLLCL, PLLCL/PVA ve PLLCL/PVP iskelelerine göre daha düşük miktarda protein ile doyurulmuştur. İskelelerin sitotoksisite analizi, PVA içeren iskelelerin, PVP içeren iskelelerden daha düşük canlılığa sahip olduğunu göstermiştir; bu nedenle hücre çalışmalarının çoğu PVP varlığında eş zamanlı eğirme ile üretilen PLLCL / Kolajen iskeleleri ile gerçekleştirilmiştir. PLLCL / Kolajen iskelelerinde hücre çoğalması PLLCL ve PLLCL / PVP iskelelerine göre daha uygun bulunmuştur.