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Silk Film Culture System for <em>in vitro</em> Analysis and Biomaterial Design

Silk films are promising protein-based biomaterials that can be fabricated with high fidelity and economically within a research laboratory environment ...

Silk-based biomaterial systems have been previously explored for a variety of medical and nonmedical materials needs. The unique biophysical features of silks provide options to generate highly tailored structures and morphologies with this unique family of fibrous proteins. To exploit these features, we have optimized the all aqueous processing of silk fibroin into novel surface nanopatterned protein materials. We have exploited control of this nanomorphology to optimize the optical features of these silk protein systems. We demonstrate control of surface morphology down to 125 nm, with fidelity over large length scales. This surface nanopatterning allows the silk protein to be formed into diffractive optics such as diffraction gratings, pattern generators, and lenses due to novel aqueous processing into optically clear materials via control of beta sheet crystallinity. Further, we incorporate biological components, such as hemoglobin and the enzyme peroxidase, during the process of forming the silk diffraction gratings. The ambient processing of the silk protein in water, in combination with these bioactive components, allows these entrained molecules to retain activity and provide added functions and selectivity to the optically active silk films. Thus, combinations of biochemical and optical readout is feasible and provides in a single, disposable/all degradable element with both spectral discrimination and biological function. These new surface nanopatterned, bioactive silk protein-based material systems offer a unique combination of features potentially useful for a range of biosensor needs, particularly when considered in concert with the remarkable mechanical properties of these proteins, their biocompatibility, and controllable biodegradation.

Bioactive silk protein biomaterial systems for optical devices.

Seide-basierte Biomaterial-Systeme haben zuvor f&uuml;r eine Vielzahl von medizinischen und-Materialien Bed&uuml;rfnisse erforscht. Die einzigartigen biophysikalischen Eigenschaften der Seide stellen M&ouml;glichkeiten hoch Erzeugung Strukturen und Morphologien mit dieser einzigartigen Familie fibr&ouml;se Proteine zugeschnitten. Um diese Features zu nutzen, haben wir alle w&auml;ssrige Verarbeitung von Seide Fibroin zu neuartigen Oberfl&auml;che Nanopatterned Protein Materialien optimiert. Wir haben genutzt, die Kontrolle &uuml;ber diese Nanomorphology zur Optimierung der optischen Merkmale dieser Seide Protein-Systeme. Wir demonstrieren die Kontrolle der Oberfl&auml;chenmorphologie bis 125 nm mit Treue &uuml;ber gro&szlig;e L&auml;nge Skalen. Diese Oberfl&auml;che Nanopatterning erm&ouml;glicht das Seidenprotein in Diffraktive Optik wie Beugungsgitter, Muster-Generatoren, gebildet werden und objektive aufgrund neuartiger w&auml;ssrige Verarbeitung zu optisch clear Materialien &uuml;ber Kontrolle der Beta Blatt Kristallinit&auml;t. Dar&uuml;ber hinaus integrieren wir biologische Komponenten, z. B. H&auml;moglobin und dem Enzym Peroxidase, w&auml;hrend des Prozesses bilden die Seide Beugungsgitter. Die Umgebungstemperatur Verarbeitung Seidenprotein im Wasser, in Kombination mit diesen bioaktiven Komponenten kann diese mitgerissen Molek&uuml;le Aktivit&auml;t zu behalten und Funktionen hinzugef&uuml;gt und Selektivit&auml;t der optisch aktiven Seide Filme anzubieten. So Kombinationen von biochemischen und optische Ablesung ist machbar und bietet in einem einzigen, Einweg/All abbaubar-Element mit spektralen Diskriminierung und biologische Funktion. Diese neue Oberfl&auml;che Nanopatterned bieten bioaktive Seide Protein-basierte Materialsysteme eine einzigartige Kombination von Funktionen m&ouml;glicherweise n&uuml;tzlich f&uuml;r eine Reihe von Biosensor braucht, vor allem, wenn im Konzert mit bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften dieser Proteine, ihrer Biokompatibilit&auml;t und steuerbare Bioabbau betrachtet.

Bioaktive Seidenprotein Biomaterial Systeme f&uuml;r optische Ger&auml;te.

Mitral valve leaflets and chordae have been shown to contain different amounts and proportions of glycosaminoglycans (GAGs) and proteoglycans (PGs) corresponding to in vivo normal or diseased cyclic strain patterns. To understand the effect of cyclic strains on GAG/PG synthesis by valvular interstitial cells (VICs) isolated from valve leaflet and chordae separately, porcine VICs were seeded within collagen gels and alternately stretched or relaxed for 24 h periods for one week in a custom-designed tissue engineering bioreactor. We found cyclic-stretch-induced upregulation of total GAGs and of individual GAG classes secreted into the culture medium. Leaflet cells showed a delayed response to stretching compared to chordal cells, but altered the proportions of various GAG classes they secreted during the culture duration. Decorin and biglycan PGs were slightly responsive to stretch. We demonstrated that mechanical stretch and relaxation conditions reversibly regulate GAG and PG production in a novel 3D model of valve tissues. This is the first study using cyclic strains to modulate GAG/PG synthesis by valve cells and our results may have implications for the remodeling of the mitral valve as well as other tissues.

Reversible secretion of glycosaminoglycans and proteoglycans by cyclically stretched valvular cells in 3D culture.

Mitralklappe Flugbl&auml;tter und Chordae sind gezeigt worden, um unterschiedliche Mengen und Proportionen von Glycosaminoglycans (GAG) enthalten und Proteoglykane (PGs) entsprechenden in-vivo-normal oder kranken zyklische Belastung Muster. Um die Wirkung der zyklischen Belastungen f&uuml;r GAG/PG-Synthese von valvular interstitiellen Zellen (VICs) separat vom Ventil Flugblatt und Chordae isoliert zu verstehen, waren porcine VICs innerhalb Kollagen Gele ausges&auml;t und abwechselnd gedehnt oder f&uuml;r 24-Stunden-Zeitr&auml;ume f&uuml;r eine Woche in eine individuell gestaltete Gewebe-engineering-Bioreaktor gelockert. Wir fanden die zyklische-Strecke-induzierte Hochregulation Gesamt Gag und GAG-Privatunterricht in dem Kulturmedium abgesondert. Merkblatt Zellen zeigten eine verz&ouml;gerte Reaktion auf Dehnung im Vergleich zu akkordische Zellen, sondern ver&auml;ndert die Proportionen der verschiedenen GAG-Klassen, mit denen, die Sie w&auml;hrend der Dauer der Kultur abgesondert. Decorin und Biglycan waren PGs etwas entgegenkommend zu dehnen. Wir zeigten, dass mechanische Stretch und Entspannung Bedingungen reversibel GAG und PG-Produktion in einem neuartigen 3D Modell Ventil Gewebe regulieren. Dies ist die erste Studie, die mit zyklische Belastungen, um GAG/PG-Synthese durch Ventil Zellen zu modulieren und unsere Ergebnisse m&ouml;glicherweise Auswirkungen f&uuml;r den Umbau der Mitralklappe sowie anderen Geweben.

Reversible Sekretion von Glycosaminoglycans und Proteoglykane von erstreckte sich zyklisch valvular Zellen in 3D.

Heart valves are presumed to remodel their extracellular matrix upon application of mechanical strains. In this study, we investigated the effect of cyclic tensile strain on valvular interstitial cells' synthesis of glycosaminoglycans (GAGs) and proteoglycans (PGs), which are altered during myxomatous degeneration. Interstitial cells were isolated from mitral valve leaflets and chordate, and seeded separately within three-dimensional collagen gels. Cell-seeded collagen gels were then subjected to cyclic strains of 2%, 5% or 10% at 1.16 Hz for 48 h using a custom-built stretching device. The application of cyclic strains reduced the total GAGs retained within collagen gels in a magnitude-dependent manner for both leaflet and chordal cells. With increasing strain magnitude, however, secretion of total GAGs into the medium was reduced for leaflet cells and elevated for chordal cells. Retention of 4-sulfated GAGs increased with increasing strain magnitude for both cell types; for the chordal samples, retention of 6-sulfated GAGs was reduced at higher strain magnitudes. Compared to statically constrained or unconstrained conditions, the application of cyclic strain reduced the secretion of 6-sulfated GAGs by both cell types, and elevated secretion of 4-sulfated GAGs by leaflet cells only. Retention of the PG biglycan and secretion of the PG decorin was significantly reduced at 10% strain compared to 2% strain. In addition, there were numerous differences in the strain-dependent retention and secretion of GAGs and PGS within the leaflet and chordal groups. These results demonstrate that GAG and PG synthesis by VICs is regulated by cyclic stretching conditions.

Effect of cyclic mechanical strain on glycosaminoglycan and proteoglycan synthesis by heart valve cells.

Herzklappen werden als ihrer extrazellul&auml;ren Matrix auf Antrag der mechanischen Belastungen umgestalten. In dieser Studie untersuchten wir die Wirkung der zyklischen Zugversuche belasten valvular interstitielle Zellen Synthese von Glycosaminoglycans (GAG) und Proteoglykane (PGs), sind die w&auml;hrend der myxomatous Entartung ge&auml;ndert. Interstitielle Zellen waren aus Mitralklappe Flugbl&auml;tter und Chordatiere isoliert und separat im dreidimensionalen Kollagen Gele ausges&auml;t. Zelle-bes&auml;te Kollagen, die Gele dann zyklische Belastungen von 2 %, 5 % oder 10 % bei 1,16 Hz f&uuml;r 48 h mit einem Custom-Built ausgesetzt waren Dehnung Ger&auml;t. Die Anwendung der zyklischen Belastungen reduziert die total GAGs innerhalb Kollagen Gele in gewissem Ausma&szlig;-abh&auml;ngige f&uuml;r Brosch&uuml;re und Rhythmusgitarrist Zellen beibehalten. Mit zunehmender Belastung Helligkeit wurde Sekretion Gesamt Gag ins Medium jedoch f&uuml;r Prospekt Zellen und erh&ouml;hten akkordische Zellen reduziert. Aufbewahrung von 4-sulfatiert Knebel erh&ouml;ht sich mit zunehmender Belastung-Helligkeit f&uuml;r beide Zelltypen; die akkordische Beispiele wurde Aufbewahrung 6 sulfatiert Gag bei h&ouml;herer Belastung Gr&ouml;&szlig;enordnungen reduziert. Im Vergleich zu statisch eingeschr&auml;nkten oder uneingeschr&auml;nkten Bedingungen, reduziert die Anwendung zyklischer Belastung die Sekretion von 6 sulfatiert GAGs durch beide Zelltypen und erh&ouml;hte Sekretion von 4-sulfatiert GAGs von Prospekt nur Zellen. Speicherung von der PG-Biglycan und Absonderung von der PG-Decorin wurde bei 10 % Dehnung im Vergleich zu 2 % Dehnung deutlich reduziert. Dar&uuml;ber hinaus gab es zahlreiche Unterschiede in der Belastung abh&auml;ngigen Aufbewahrungs- und Sekretion von GAGs und PGS innerhalb der Brosch&uuml;re und akkordische Gruppen. Diese Ergebnisse zeigen, dass GAG und PG-Synthese von VICs durch zyklische Aufspannung Bedingungen reguliert wird.

Wirkung der zyklischen mechanische Belastung Glykosaminoglykane und Proteoglycan Synthese von Herzzellen Ventil.

Effects of hydration on silk fibroin film properties were investigated for water-annealed and MeOH-treated samples. Hydration increased thickness by 60% for MeOH-immersed films, while water-annealed samples remained constant. MeOH-immersed films showed an 80% mass loss due to water, while water-annealed lost only 40%. O(2) permeability was higher in MeOH-immersed films with Dk values of 10(-10) (mL O(2) x cm) x (cm(-1) x s(-1) x mmHg(-1)), while those of water-annealed films reached only one fifth of this value. All films showed a decrease in Young's modulus and increased plastic deformation by two orders of magnitude when submerged in saline solution. FT-IR showed that beta-sheet content in water-annealed films increased with increasing water vapor pressure, while MeOH-immersed films showed no change.

Effect of hydration on silk film material properties.

Wirkungen der Hydratation auf Seide Fibroin Folieneigenschaften wurde f&uuml;r Wasser-gegl&uuml;ht und MeOH-behandelten Proben untersucht. Hydratation wird 60 % MeOH eingetaucht Filme, Dicke gestiegen, w&auml;hrend Wasser-gegl&uuml;ht Proben konstant geblieben. MeOH eingetaucht Filme zeigte eine 80 % Massenverlust wegen Wasser, w&auml;hrend Wasser-gegl&uuml;ht nur 40 % verloren. O(2) Permeabilit&auml;t lag in MeOH eingetaucht Filmen mit Dk-Werten der 10(-10) (mL O(2) x cm) X (cm(-1) x s(-1) x mmHg(-1)), w&auml;hrend die der Wasser-gegl&uuml;ht Filme nur ein F&uuml;nftel dieses Wertes erreicht. Alle Filme zeigten einen R&uuml;ckgang der Elastizit&auml;tsmodul und plastische Verformung um zwei Gr&ouml;&szlig;enordnungen wenn in Salzl&ouml;sung getaucht erh&ouml;ht. FT-IR hat gezeigt, dass Beta-Blatt Inhalt in Wasser-gegl&uuml;ht Filmen stieg mit Wasserdampf Druck zu erh&ouml;hen, w&auml;hrend MeOH eingetaucht Filme keine Ver&auml;nderung zeigte.

Article	Year
Bioactive silk protein biomaterial systems for optical devices. Biomacromolecules\| PubMed ID: 18370418	2008
Reversible secretion of glycosaminoglycans and proteoglycans by cyclically stretched valvular cells in 3D culture. Annals of biomedical engineering\| PubMed ID: 18425579	2008
Effect of cyclic mechanical strain on glycosaminoglycan and proteoglycan synthesis by heart valve cells. Acta biomaterialia\| PubMed ID: 19004676	2009
Effect of hydration on silk film material properties. Macromolecular bioscience\| PubMed ID: 20112237	2010

Brian D. Lawrence

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