IMAGE: Lesley Chow, asystent profesora bioinżynierii i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Lehigh otrzymał Nagrodę NSF Faculty Early Career Development Program (CAREER) award. Nagroda wspiera jej pracę… Zobacz więcej
Credit: Ryan Hulvat for Lehigh University
Jeśli jesteś w stanie chodzić bez bólu, daj Cichy krzyk-out do chrząstki.,
za każdym razem, gdy robisz krok, ta elastyczna tkanka pochłania ładunek i przenosi go do kości, umożliwiając swobodne poruszanie się. Ale w przeciwieństwie do kości, jeśli chrząstka zostanie uszkodzona … przez obrażenia, zużycie lub stan zapalny … nie może się zregenerować. Z czasem uszkodzona tkanka ulega degradacji, a chodzenie staje się coraz bardziej bolesne, gdy kości stykają się ze sobą.,
„W końcu rozwiniesz chorobę zwyrodnieniową stawów, która jest najczęstszą formą zapalenia stawów i dotyka około 31 milionów Amerykanów”, mówi Lesley Chow, adiunkt bioinżynierii i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Lehigh PC Rossin College of Engineering and Applied Science. „I chociaż istnieją pewne interwencje chirurgiczne, w końcu trafiasz w punkt, w którym odczuwasz tak duży ból i masz taką utratę mobilności, że potrzebujesz całkowitej wymiany stawu kolanowego.,”
skuteczne interwencje jeszcze nie istnieją, ponieważ chrząstka jest tak trudna do odtworzenia syntetycznie. Każda nowa tkanka, która tworzy, nie ma takich samych właściwości jak rodzima chrząstka i nie integruje się dobrze z kością podstawową, którą ma chronić. Jeśli jednak uda się opracować biomateriał, który z powodzeniem skieruje regenerację całej tkanki osteochondralnej („osteo” dla Kości, „chondral” dla chrząstki), urazy chrząstki mogą być leczone wcześniej, a degeneracja może zostać spowolniona lub całkowicie zatrzymana.,
„jeśli będziemy mogli interweniować, gdy po raz pierwszy masz ten uraz, ta terapia będzie miała potencjał, aby kupić ci 10 lub więcej lat, a może nigdy nie potrzebujesz wymiany stawu kolanowego”, mówi Chow. „To jest sen.”
dla Chow to marzenie, które zbliżyło się o krok do rzeczywistości, kiedy otrzymała Nagrodę Wydziału wczesnego rozwoju kariery (CAREER) od National Science Foundation. Nagroda wspiera pracę, którą ona i jej zespół wykonują w celu opracowania biomateriału, który promuje regenerację złożonego interfejsu tkanek osteochondralnych., W szczególności, udoskonalanie ich materiałów drukowanych 3D, aby zapewnić dokładne sygnały do komórek, które umożliwiają tworzenie tkanki zorganizowanej w taki sam sposób, jak tkanka naturalna.
granty zawodowe są uważane za jedno z bardziej prestiżowych wyróżnień przyznawanych przez NSF. Są one przyznawane corocznie w celu wsparcia młodych pracowników wydziału w USA, którzy przykładają rolę nauczycieli uczonych poprzez wybitne badania, doskonałą edukację i integrację edukacji i badań naukowych. Każda nagroda zapewnia stabilne wsparcie na poziomie około 500 000 USD przez okres pięciu lat.,
„wiemy, że mamy komórki w naszym ciele, które są zdolne do odrastania tych tkanek, ale co, jeśli nie dajemy im odpowiednich wskazówek?”mówi Chow. „Dużo myślimy o chemicznych i fizycznych wskazówkach, które oferujemy komórkom. Chcielibyśmy na przykład zmienić chemię naszego biomateriału, zachowując te same właściwości mechaniczne. Jest to bardzo trudne do zrobienia, ponieważ te właściwości są ze sobą powiązane. Moje laboratorium opracowało platformę, na której możemy zmienić te sygnały niezależnie od siebie.,”
wysiłek regeneracji tkanki kostno-chrzęstnej za pomocą biomateriałów nie jest nowy. Istnieją niezliczone sposoby naukowcy zrobili to, mówi Chow. Ale nie jest jasne, jak dokładnie działają materiały, więc dobrze zdefiniowane zasady projektowania są nieuchwytne. Na przykład, naukowcy nie mogą powiedzieć, jakie specyficzne właściwości mechaniczne lub porowatość jest wymagane, lub jaki sygnał biochemiczny musi być dostarczony do osiągnięcia określonej odpowiedzi komórkowej. Chow chce ustanowić zestaw kryteriów projektowych, aby wyeliminować zgadywanie.
rusztowania drukowane 3D zespołu już przyniosły obiecujące wyniki., Przed wydrukowaniem syntetyzują peptydy-krótkie segmenty białek – w celu promowania tworzenia kości lub chrząstki. Przyłączają te peptydy do biodegradowalnych polimerów i dodają powstałe koniugaty peptyd-polimer w pożądanym stężeniu podczas drukowania 3D, aby wytworzyć materiał peptydowo-funkcjonalny.
„to jak kolorowa drukarka” „Powiedz, że najpierw chcesz wydrukować rusztowanie promujące kości, a potem chcesz przejść do promocji chrząstki. Wystarczy zmienić głowice drukarki. To jak zmiana kolorów., Więc w ramach tego samego wydruku, kończysz z jednym biomateriałem, który ma zarówno peptydy promujące kości, jak i chrząstki w jednym ciągłym rusztowaniu.”
polimery, z którymi pracuje Chow, mogą mieć różne masy cząsteczkowe, co oznacza, że mogą być krótkimi lub długimi łańcuchami. Zastosowanie różnych mas cząsteczkowych pozwala im przedstawić tę samą chemię (ponieważ krótkie i długie łańcuchy są wykonane z tego samego polimeru), ale wykazują różne właściwości mechaniczne (dłuższy łańcuch spowoduje sztywniejszy materiał).,
„moja hipoteza byłaby taka, że sztywniejszy materiał napędzałby komórki do produkcji kości, a bardziej miękki materiał napędzałby komórki do produkcji chrząstki”, mówi Chow. „Komórki mogą czuć swoje otoczenie i reagują na różne sztywności w różny sposób. Więc to, co staramy się zrobić, to zrobić materiały, w których możemy niezależnie kontrolować te właściwości, aby dowiedzieć się, jak komórki reagują na te podzbiory materiałów., Więc zmień chemię, ale nie zmieniaj właściwości mechanicznych lub architektury, Zmień architekturę, ale nie zmieniaj właściwości mechanicznych lub zmień właściwości mechaniczne, ale nie zmieniaj niczego innego.”
nagroda pomoże Chow i jej zespołowi lepiej zrozumieć, jak komórki reagują na swoją platformę, aby mogli ją dopracować. Ich praca koncentruje się na tworzeniu „optymalnego materiału”, który wywołuje reakcję, która daje zarówno tkankę kostną, jak i chrzęstną., Ostatecznym celem jest jednak dwojaki: biodegradowalny implant, który można wprowadzić po urazie, aby odpędzić lub opóźnić przyszłą degenerację tkanek i wyniszczający ból, oraz fundamentalne zrozumienie, które można przetłumaczyć na inne typy komórek, takie jak komórki skóry, w celu lepszego leczenia osób, takich jak ofiary poparzeń.
„chcemy, aby był to trampolina dla osób zainteresowanych innymi systemami tkankowymi”, mówi Chow, który jest związany z Lehigh ' s Institute for Functional Materials and Devices (I-FMD)., „Ludzie, którzy chcą lepiej zrozumieć właściwości, których potrzebują, aby rozwijać się we własnych materiałach, aby regenerować inne interesujące tkanki.”
O Lesley W. Chow
Lesley W. Chow dołączyła do Lehigh po stażu podoktorskim w Imperial College London i doktoracie na Northwestern University. Jej zainteresowania badawcze koncentrują się na projektowaniu nowych biomateriałów do zastosowań w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej., Opierając się na jej wcześniejszych doświadczeniach z projektowaniem supramolekularnym i wytwarzaniem biomateriałów, Chow Lab łączy różne materiały i zaawansowane techniki wytwarzania, aby wygenerować rusztowania o architekturach i przestrzennie zorganizowanej funkcjonalności, które przypominają rodzime tkanki biologiczne. Chow jest szczególnie zainteresowany wykorzystaniem druku 3-D i podejścia do samodzielnego montażu do organizowania syntetycznych polimerów, naturalnych Biopolimerów i peptydów w hierarchiczne struktury i kompozycje., Rusztowania te służą jako platformy do pogłębienia zrozumienia, w jaki sposób rodzima organizacja tkanek wpływa na funkcje komórek i tkanek w różnych skalach długości i poprawy tłumaczenia klinicznego biomateriałów.
Chow Lab koncentruje się obecnie na metodach poprawy regeneracji interfejsów tkanki mięśniowo-szkieletowej, takich jak interfejs osteochondralny między kośćmi i chrząstkami., Odtworzenie tych złożonych interfejsów stanowi znaczące wyzwanie inżynieryjne, ponieważ rodzime tkanki posiadają gradienty w biochemicznych, strukturalnych i mechanicznych właściwościach, które są krytyczne dla normalnej funkcji biomechanicznej. Jej zespół opracowuje strategie oparte na biomateriałach, aby kierować przestrzennym zachowaniem komórek i tworzeniem tkanek, aby inżynierować tkanki, które naśladują te relacje struktura-funkcja-własność.,
powiązane linki:
- profil Wydziału Rossin College: Lesley Chow
- Nagroda NSF Streszczenie: kariera: opracowywanie przestrzennie zorganizowanych biomateriałów do inżynierii złożonych interfejsów tkankowych
- Laboratorium Chow
- Instytut Materiałów i urządzeń funkcjonalnych (i-FMD)