Posted in | Nanofluidics

Sætte Bakterier til at arbejde som Tiny Weavers af nanoskala Biomaterialer

Published on November 11, 2008 at 11:45 AM

To Virginia Tech ingeniører har sat bakterier til at arbejde som små vævere af biomaterialer og medicinske implantater. Paul Gatenholm og Rafael Davalos, fakultet medlemmer med Virginia Tech Wake Forest University School of Biomedical Engineering, har udviklet en ny teknologi til at kontrollere bevægelsen af ​​bakterier, der producerer cellulose. Brugen af ​​bakteriel cellulose (BC) for biomaterialer har været begrænset, fordi dets mekaniske egenskaber ikke kan kontrolleres uden for tynde, fleksible lag. Opfindelsen vil gøre det muligt præcis styring af den lille vævere, så de kan blive guidet til former, der vil støtte brusk og knoglevæv vækst og andre komplekse biomaterialer, ifølge Gatenholm.

FESEM billeder af Acetobacter Xylinum celler indlejret i og producere cellulose nanofibers.

Ligesom sommerfugle og edderkopper producerer fibre, så gør Acetobacter xylinum bakterier. Omkring fem år siden, Gatenholm, så ved Chalmers University of Technology i Sverige, spekulerede på, om han kunne styre produktionen af ​​bakteriel cellulose, og hvis materialet var biokompatible.

Han opdagede, at bakterier ville skabe fiber lag til at passe en skabelon. "Materialet er meget ligesom kollagen," det naturlige bindevæv der produceres af kroppen, siger han. Han derefter placeret et frimærke-størrelse stykke BC materiale under huden på en rotte, og var glad for at se, at der ikke var infektion og ingen afvisning. "Der var meget rart integration," sagde Gatenholm.

"Fordi BC er omkring 99 procent vand, det er blødt og fleksibelt," sagde han. "Den eneste ulempe var cellerne ikke kunne passere, fordi det ikke var porøs. Så vi er placeret voks partikler på stilladser og bakterier spundet omkring dem, så vi smeltede voksen ud. "

For at løse det medicinske samfund har behov for små blodkar, Gatenholm team ved Chalmers havde bakterierne producerer rør. I 2006 havde forskerne udviklet en proces for at skabe rør af enhver størrelse eller form. Den svenske regering har ydet finansiering til skalere op og Gatenholm og hans kolleger startet et selskab til at producere blodkar. Arterion (http://www.arterion.se/), er nu laver dyreforsøg. (Gatenholm har startet tre virksomheder baseret på hans forskning på Chalmers University.)

"Nu er jeg klar til at se på, hvad ekstra god BC kan gøre," sagde Gatenholm, der kom Virginia Tech sidste år som professor i materialevidenskab og-teknik, selskab i Virginia Tech Center for Healing Biomaterialer, og et supplement fakultet medlem med Wake Forest University Institut for regenerativ medicin.

Et mål er oprettelsen af ​​brusk-specifikt, etablering af stilladser, der ville blive besat af chondrocytter - de celler, der producerer brusk. "Vi vil bygge en porøs stillads i form af en næse eller et øre som en struktur for chondrocytter at flytte ind - i kroppen, ikke i en bioreaktor. BC stillads vil være en del af helingsprocessen. "

Et andet stort udækket medicinsk behov er en måde at erstatte store knogler underskud, såsom et stykke af kraniet, så folk vil ikke have metal implantater. Gatenholm foreslår at skabe en BC stillads, der inkorporerer hydroxyapatit, mineral, som indeholder calcium og fosfor, der er grundlaget for knoglerne. "Vi kan skabe et materiale, der gør det muligt for knogleheling processen kan finde sted - eller ligefrem stimulerer den."

Den nødvendige figurer kan skabes ved hjælp af BC med porøsitet, der vil give den naturlige cellerne til at vokse, men den udfordring har været den manglende kontrol af mekaniske egenskaber - den stivhed der kræves for brusk og knogler stillads.

Den løsning, præsenterede sig selv, når Gatenholm mødtes Davalos, assisterende professor i ingeniørvidenskab og mekanik, hvis forskning omfatter celle mekanik, mikrofluidik, og brugen af ​​en elektrisk strøm til at oprette midlertidige porer i cellevæggen og permanente porer, der vil resultere i celledød. I processen med denne forskning, opdagede Davalos at han kunne styre bakterier bevægelse ved hjælp af elektriske felter.

I arbejde arbejde er støttet af Virginia Tech Institut for kritisk teknologi og Applied Science, anvendt Gatenholm og Davalos denne kontrol evne til cellulose producerende bakterier, og snart havde dem pendulfart frem og tilbage, som en nanoskala væven, montage cellulose lag i brugerdefinerede tre- dimensionelle arkitekturer. "Nu kan vi ingeniør den nødvendige mekaniske egenskaber for at støtte mikro-skala væske flow og miljøet for target-cellerne - chondrocytter, for eksempel - at sætte på og vokse. Den nanofibril tilpasning som i naturlige kollagen væv i høj grad vil forbedre styrke og stivhed af stilladser, "sagde Gatenholm.

Virginia Tech Intellectual Properties Inc. (www.vtip.org) har ansøgt om et patent for Gatenholm og Davalos "dielectrophorectic microweaving" teknologi, som vil blive indført på den midtatlantiske Innovation Showcase på fredag, 14 november, på Hilton McLean Tysons Corner.

Et nyt selskab, BCGenesis (www.bcgenesis.org/) er blevet etableret i Blacksburg, Va at give biokompatible materiale til helbredelse bløde eller hårde bindevæv, såsom knogle vin og cartlilage udskiftning og andre ortopædiske applikationer. Erik Gatenholm af Blacksburg vil være administrerende direktør.

Læs mere om Paul Gatenholm forskning her: http://www.sbes.vt.edu/people/faculty/primary/gatenholm.html

Last Update: 7. October 2011 13:08

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit