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Putting Bakterien als Tiny Weavers of Nanoscale Biomaterials Arbeit

Published on November 11, 2008 at 11:45 AM

Zwei Virginia Tech -Ingenieure haben Bakterien setzen sich als sehr kleine Weber von Biomaterialien und Implantaten arbeiten. Paul Gatenholm und Rafael Davalos, Mitglieder des Lehrkörpers mit der Virginia Tech Wake Forest University School of Biomedical Engineering, haben eine neue Technologie zur Steuerung der Bewegung der Bakterien, die Zellulose-Produktion entwickelt. Die Verwendung von bakterieller Cellulose (BC) für Biomaterialien begrenzt worden, weil seine mechanischen Eigenschaften können nicht über dünne, flexible Schichten gesteuert werden. Die Erfindung ermöglicht eine präzise Steuerung der winzigen Weber so, dass sie Formen, die Knorpel-und Knochengewebe Wachstum und anderen komplexen Biomaterialien Unterstützung geführt werden kann, je nach Gatenholm.

FESEM Bilder von Acetobacter Xylinum Zellen in Embedded-und Zellulose-Nanofasern.

So wie Schmetterlinge und Spinnen Fasern zu produzieren, dies zu tun Acetobacter xylinum Bakterien. Vor etwa fünf Jahren, Gatenholm, dann an der Chalmers University of Technology in Schweden, überlegte, ob er die Produktion von bakterieller Cellulose kontrollieren konnte und wenn das Material wurde biokompatibel.

Er entdeckte, dass die Bakterien würden Faserschichten zu schaffen, um eine Vorlage zu passen. "Das Material ist ähnlich wie Kollagen," die natürliche Bindegewebe durch den Körper produziert, sagte er. Dann legte er eine Briefmarke großes Stück BC Material unter die Haut in eine Ratte und war erfreut zu sehen, dass es keine Infektion und keine Ablehnung. "Es war sehr schön Integration", sagte Gatenholm.

"Weil BC ist etwa 99 Prozent aus Wasser, sie weich und flexibel ist", sagte er. "Der einzige Nachteil war, könnte die Zelle nicht passieren, weil es nicht porös. So legten wir Wachspartikel auf den Gerüsten und die Bakterien um sie herum gesponnen, dann werden wir schmolz das Wachs aus. "

Um die medizinische Gemeinschaft die Notwendigkeit für kleine Blutgefäße, hatte Gatenholm Team an der Chalmers die Bakterien produzieren Rohre. Bis 2006 hatten die Wissenschaftler ein Verfahren zur Schaffung von Rohren jeder Größe und Form entwickelt. Die schwedische Regierung bereitgestellten Mittel für Scale-up und Gatenholm und seine Kollegen eine Firma, die Blutgefäße zu produzieren. Arterion (http://www.arterion.se/), ist jetzt zu tun Tierstudien. (Gatenholm hat drei Unternehmen auf der Grundlage seiner Forschung begann an der Chalmers University.)

"Jetzt bin ich bereit, auf welche zusätzlichen guten BC tun können, sehen bin", sagte Gatenholm, die Virginia Tech kam im vergangenen Jahr als Professor für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik, Tochtergesellschaft der Virginia Tech Center for Healing Biomaterialien und Ergänzung Mitglied der Fakultät mit der Wake Forest University Institute for Regenerative Medicine.

Ein Ziel ist die Schaffung von Knorpel-spezifisch, die Schaffung von Gerüsten, die von Chondrozyten besetzt sein würde - die Zellen, die Knorpel zu produzieren. "Wir würden ein poröses Gerüst in der Form einer Nase oder ein Ohr zu bauen, wie eine Struktur für die Chondrozyten in Bewegung, um - in den Körper, nicht in einem Bioreaktor. Der BC Gerüst wäre Teil des Heilungsprozesses sein. "

Ein weiterer großer medizinischer Bedarf ist ein Weg, um große Knochen Defizite, wie zum Beispiel ein Stück des Schädels zu ersetzen, damit die Leute nicht zu Metallimplantaten haben. Gatenholm schlägt die Schaffung eines BC Gerüst, Hydroxyapatit, Mineral enthält Kalzium und Phosphor, dass die Grundsubstanz des Knochens ist integriert. "Wir können ein Material, das die Knochenheilung Prozess stattfinden kann - oder sogar stimuliert."

Die benötigten Formen können mit BC mit der Porosität, die es dem natürlichen Zellen wachsen wird, aber die Herausforderung ist die mangelnde Kontrolle der mechanischen Eigenschaften wurden - die Steifigkeit für Knorpel und Knochen Gerüste erforderlich.

Die Lösung präsentierte sich beim Gatenholm erfüllt Davalos, Assistenzprofessor der Ingenieurwissenschaften und der Mechanik, deren Forschung umfasst Zellmechanik, Mikrofluidik, und die Verwendung von elektrischem Strom, um temporäre Poren in der Zellwand und permanenten Poren, die zum Zelltod führen schaffen. In den Prozess der Forschung, entdeckte Davalos, dass er Bakterien Bewegung durch elektrische Felder zu steuern.

In der Arbeit Arbeit ist von der Virginia Tech Institute for Critical Technologie gefördert und Applied Science, angewendet Gatenholm und Davalos diese Kontrolle Fähigkeit der Cellulose produzierenden Bakterien und bald hatte sie pendelt hin und her, wie ein nanoskaligen Webstuhl, Montage Celluloseschichten in kundenspezifische drei dimensionalen Architekturen. "Jetzt können wir Ingenieur die notwendigen mechanischen Eigenschaften mikro-Strömung und das Umfeld für die Zielzellen zu unterstützen - Chondrozyten, zum Beispiel - zu befestigen und zu wachsen. Die Nanofibrill Ausrichtung wie in natürlichen Kollagen Gewebe wird erheblich zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit von Gerüsten ", sagte Gatenholm.

Virginia Tech Intellectual Properties Inc. (www.vtip.org) hat ein Patent für Gatenholm und Davalos "dielectrophorectic microweaving"-Technologie, die in der Mid-Atlantic Innovation Showcase am Freitag, 14 November eingeführt werden angewendet, im Hilton McLean Tysons Corner.

Ein neues Unternehmen, BCGenesis (www.bcgenesis.org/) hat in Blacksburg, Virginia gegründet, um biokompatiblen Material für die Heilung weich oder hart Bindegewebe, wie Knochentransplantate und cartlilage Ersatz-und anderen orthopädischen Anwendungen. Erik Gatenholm von Blacksburg wird der CEO werden.

Erfahren Sie mehr über Paul Gatenholm der Forschung hier: http://www.sbes.vt.edu/people/faculty/primary/gatenholm.html

Last Update: 7. October 2011 01:50

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