Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
Posted in | Nanofluidics

Sätta Bakterier att arbeta som Tiny Weavers av Nanoscale Biomaterial

Published on November 11, 2008 at 11:45 AM

Två Virginia Tech ingenjörer har lagt bakterier att arbeta som små vävare av biomaterial och medicinska implantat. Paul Gatenholm och Rafael Davalos, fakultet medlemmar med Virginia Tech Wake Forest University School of Biomedical Engineering, har utvecklat en ny teknik för att styra rörelsen av bakterier som producerar cellulosa. Användningen av bakteriell cellulosa (BC) för biomaterial har varit begränsade eftersom dess mekaniska egenskaper inte kan kontrolleras efter tunna, flexibla skikt. Uppfinningen möjliggör exakt kontroll av de små vävarna så att de kan styras till former som kommer att stödja brosk och benvävnad tillväxt och andra komplexa biomaterial, enligt Gatenholm.

FESEM bilder av Acetobacter Xylinum celler inbäddade i och producera cellulosa Nanofiber.

Precis som fjärilar och spindlar producerar fibrer, så gör Acetobacter xylinum bakterier. Ungefär fem år sedan, Gatenholm, sedan vid Chalmers tekniska högskola i Sverige, undrade om han kunde kontrollera produktionen av bakteriell cellulosa och om materialet var biokompatibla.

Han upptäckte att bakterierna skulle skapa fiber lager för att passa en mall. "Materialet är mycket som kollagen," den naturliga bindväv som produceras av kroppen, sade han. Han placerade sedan ett frimärke storlek bit av BC material under huden i en råtta och var glad att se att det inte fanns någon infektion och inga avslag. "Det var mycket trevligt integration", säger Gatenholm.

"Eftersom BC är cirka 99 procent vatten, det är mjukt och flexibelt", sa han. "Den enda nackdelen var celler kunde inte passera eftersom det inte var porös. Så vi placerade vax partiklar på byggnadsställningar och bakterien snurrade runt dem, då vi smälte vaxet ut. "

För att hantera de medicinska samfundet behov av små blodkärl, hade Gatenholm team på Chalmers bakterierna producerar rör. Senast 2006 hade forskarna utvecklat en process för att skapa rör av valfri storlek eller form. Den svenska regeringen finansierat skala upp och Gatenholm och hans kolleger startat ett företag för att producera blodkärl. Arterion (http://www.arterion.se/), gör nu djurstudier. (Gatenholm har startat tre företag baserat på sin forskning på Chalmers.)

"Nu är jag redo att titta på vilka ytterligare bra BC kan göra", säger Gatenholm, som kom till Virginia Tech förra året som professor i materialvetenskap och teknik, filial till Virginia Tech Center för Healing Biomaterial och ett komplement fakultet medlem med Wake Forest University Institute för regenerativ medicin.

Ett mål är att skapa brosk-specifikt, skapandet av byggnadsställningar som skulle upptas av kondrocyter - de celler som producerar brosk. "Vi skulle bygga en porös byggnadsställning i form av en näsa eller ett öra som en struktur för kondrocyter att flytta in - i kroppen, inte i en bioreaktor. BC ställningen skulle vara en del av den läkande processen. "

En annan stor medicinska behovet är ett sätt att ersätta stora ben underskott, t.ex. en bit av skallen, så folk kommer inte ha metalliska implantat. Gatenholm föreslår att skapa en BC klätterställning som innefattar hydroxyapatit, mineral som innehåller kalcium och fosfor som är grunden för ben. "Vi kan skapa ett material som möjliggör benet läkningsprocessen äga rum - eller till och stimulerar den."

Det behövs former kan skapas med hjälp f.Kr. med porositet som möjliggör den naturliga celler att växa, men utmaningen har varit bristen på kontroll av mekaniska egenskaper - den styvhet som krävs för brosk och ställningar ben.

Den lösning som presenteras sig själv när Gatenholm träffade Davalos, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, vars forskning omfattar cell mekanik, mikrofluidik, och användning av en elektrisk ström för att skapa tillfälliga porer i cellväggen och permanenta porer som leder till celldöd. I processen av denna forskning upptäckte Davalos att han kunde kontrollera bakterier rörelser med elektriska fält.

I arbetet arbete stöds av Virginia Tech Institutet för kritisk teknik och tillämpad vetenskap, tillämpad Gatenholm och Davalos denna kontroll förmåga att cellulosan bakterier och snart hade dem skytteltrafik fram och tillbaka, som en nanoskala vävstol, montering cellulosa lager i anpassade tre- dimensionell arkitekturer. "Nu kan vi ingenjör som behövs mekaniska egenskaper för att stödja mikro skala vätskeflöde och miljön för målceller - kondrocyter, till exempel - att fästa och växa. Den nanofibril anpassning som i naturliga kollagen vävnad kraftigt kommer att förbättra styrka och styvhet av byggnadsställningar, "sade Gatenholm.

Virginia Tech Intellectual Properties Inc. (www.vtip.org) har ansökt om ett patent för Gatenholm och Davalos "dielectrophorectic microweaving" teknik, som kommer att införas vid Mid-Atlantic Innovation Showcase på fredag, 14 november, på Hilton McLean Tysons Corner.

Ett nytt bolag, BCGenesis (www.bcgenesis.org/) har etablerats i Blacksburg, Virginia att ge biokompatibla material för att läka mjuka eller hårda bindväv, såsom ben ympkvistar och cartlilage ersättning och andra applikationer ortopediska. Erik Gatenholm av Blacksburg kommer att bli VD.

Läs mer om Paul Gatenholm forskning här: http://www.sbes.vt.edu/people/faculty/primary/gatenholm.html

Last Update: 8. October 2011 04:22

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