Electrospun scaffolds in a RWV bioreactor

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-08-29
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
96 + 9
Series
Abstract
Tissue-engineered blood vessels (TEBVs) are among tissues that are under active research worldwide. They can be used for drug delivery systems and drug screening. Methods to produce scaffolds for the growth of cells for a TEBV include electrospinning and a Rotary Wall Vessel bioreactor, which both were also used in this thesis. Namely, the aim of the thesis was to test the suitability of these methods for the production of scaffolds that could support the growth of cells and the subsequent generation of a tissue-engineered blood vessel. Electrospinning is a method for the production of nonwoven mesh of fibers, which varies from micro- to nanometerscale. By applying a high voltage between a collector plate and a syringe filled with solvent-dissolved polymer thin fibers may form and be collected. Later on the fibers can be used for the cell scaffolds which mimic the natural extracellular matrix (ECM). Gelatin, poly-ε-caprolactone (PCL) and poly(ethylene oxide) (PEO) were electrospun with a self-assembled electrospinning set-up LEVIOSA!. Glutaraldehyde-cross-linked gelatin and PCL were used in static and bioreactor cultivation tests. Rotary Wall Vessel (RWV) bioreactor utilizes a horizontally-laid and rotated cultivation vessel to produce microgravity-like conditions. Rotating walls rotate the cultivation medium, which creates a lift and centrifugal force that balances out the effect of gravity. In this way cells or small cell-scaffold constructs can be cultivated and three-dimensional structures may formed. As part of an adjoining student project, a student-built RWV bioreactor called BIOHOVER was used in this thesis to cultivate electrospun tubular scaffolds. Tubular-scaffold-polymers, 72-hours cross-linked gelatin and PCL, had an average fiber diameter of 500 ± 100 and 2200 ± 700 nm, and an average pore size of 800 ± 300 and 13900 ± 4600 nm, respectively. Human lung carcinoma cells (A549) were grown along these materials for 3 days in the BIOHOVER bioreactor in order to study how a TEBV could be created. The methods were found to be successful, whilst needing further development, which could later also facilitate the production of a TEBV. Moreover, the methods developed and used in this thesis were found to be suitable for teaching cell and tissue engineering in a M.Sc. level course as a part of the Aalto Online Learning (A!OLE) Biology Meets Mechatronics concept.

Kudosteknologisten verisuonten kehitystä tutkitaan laajalti sekä perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen lähtökohdista. Kudosteknologisia verisuonia voidaan hyödyntää lääkeaineiden kuljetusjärjestelminä ja vaikutusaineseulonnassa. Niiden kasvattamiseen tarvittavat tukirakenteet, eli scaffoldit, voidaan valmistaa keinotekoisesti eri valmistusmenetelmillä, joista eniten käytettyjä ovat jännitekehräys (eli elektrospinnaus) ja pyöriväseinäiset bioreaktorit (eli Rotary Wall Vessel (RWV) -bioreaktorit). Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia näiden mainittujen menetelmien soveltuvuutta scaffoldin tuottamiseksi ja niiden kykyä tukea solujen kasvattamista, pidemmällä tähtäimellä verisuonten kasvattamista. Jännitekehrääminen on menetelmä, jossa tuotetaan ohuista mikro- tai nanokokoisista langoista koostuva verkkorakenne ilman säännönmukaista kudontaa. Keruualustan ja polymeeriliuosta sisältävän ruiskun neulan väliin tuotettavalla korkeajännitteellä näitä ohuita lankoja voidaan kehrätä. Jännitekehräämisen jälkeen materiaalia voidaan hyödyntää kudoksista luonnollisesti löytyvää soluväliainetta jäljittelevänä kudosteknologisena tukiverkkona (eli scaffoldina). Gelatiinia, poly-ε-kaprolaktonia (PCL) ja polyetyleenioksidia (PEO) jännitekehrättiin itsekootulla LEVIOSA! laitteistolla. Glutaraldehydillä ristisidostettua gelatiinia sekä PCL:a hyödynnettiin sekä staattisissa että bioreaktorikasvatuksissa. Pyöriväseinäinen bioreaktori hyödyntää vaakatasossa pyöritettävän kasvatusastian liikettä mikropainovoiman luomiseksi. Seinän liike saa kasvatusnesteen liikkumaan ja nesteen noste sentrifugaalivoimaan yhdistettynä kumoaa hetkellisesti painovoiman. Näin soluja tai pieniä tukiverkkopohjaisia kudoksia voidaan kasvattaa kolmiulotteisesti. Tähän diplomityöhön liittyvän opiskelijaprojektin puitteissa rakennettua pyöriväseinäistä bioreaktoria nimeltään BIOHOVER käytettiin tässä diplomityössä jännitekehrättyjen putkilomaisten tukiverkkojen kasvattamiseen. Putkilomaisten 72 tuntia ristisidostetun gelatiinin ja PCL:n keskimääräinen lankapaksuus oli 500 ± 100 ja 2200 ± 700 nm, ja huokoskoko 800 ± 300 ja 13900 ± 4600 nm. Ihmiskeuhkojen karsinoomasoluja (A549) kasvatettiin kolme päivää edellä mainituilla putkilomaisilla tukiverkoilla BIOHOVER bioreaktorissa verisuonen kasvatusedellytysten tutkimiseksi. Työssä käytetyt menetelmät osoittautuivat pääsääntöisesti toimiviksi, ja jatkotoimenpiteinä työssä esitetään niihin liittyviä kehittämisehdotuksia, joiden avulla jatkossa olisi myös mahdollista tuottaa kudosteknologista verisuonta, johon ei vielä tämän työn puitteissa päästy. Lisäksi diplomityössä käytetyt metodit todettiin soveltuviksi opetukseen ja niitä hyödynnettiin DI-tason kudosteknologian kurssilla, joka oli osa Aalto Online Learning (A!OLE) opetuksenkehittämisohjelmaa.
Description
Supervisor
Nordström, Katrina
Thesis advisor
Ora, Ari
Keywords
tissue engineering, electrospinning, Rotary Wall Vessel (RWV) bioreactor, blood vessel, gelatin, PCL
Other note
Citation