In tissue engineering, scaffolds play an important role in the growth of cells to 3-D organs or tissues. For the success of tissue engineering, they should be mimicked to meet the requirements of natural extracellular matrix (ECM) in the body, such as mechanical properties, adhesiveness, porosity, biodegradability, and growth factor release, etc. Contrary to other materials, polymeric materials are adequate to engineer scaffolds for tissue engineering because controlling the structure and the ratio of components and designing various shapes and size are possible. In this review, the importance, major characteristics, processes, and recent examples of polymeric scaffolds for tissue engineering applications are discussed.
Two-dimensional (2D) cell culture and in vivo cancer model systems have been used to understand cancer biology and develop drug delivery systems for cancer therapy. Although cell culture and in vivo model studies have provided critical contribution about disease mechanism, these models present important problems. 2D tissue culture models lack of three dimensional (3D) structure, while animal models are expensive, time consuming, and inadequate to reflect human tumor biology. Up to the present, scaffolds and 3D matrices have been used for many different clinical applications in regenerative medicine such as heart valves, corneal implants and artificial cartilage. While tissue engineering has focused on clinical applications in regenerative medicine, scaffolds can be used in in vitro tumor models to better understand tumor relapse and metastasis. Because 3D in vitro models can partially mimic the tumor microenvironment as follows. This review focuses on different scaffold production techniques and polymer types for tumor model applications in cancer tissue engineering and reports recent studies about in vitro 3D polymeric tumor models including breast, ewing sarcoma, pancreas, oral, prostate and brain cancers.
Seung Mi Choi;Do Young Lee;Yeseon Lim;Seonyeong Hwang;Won Hoon Song;Young Hun Jeong;Sik Yoon
Journal of Life Science
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v.33
no.8
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pp.612-622
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2023
T-cell deficiency may occur in various clinical conditions including congenital defects, cell/organ transplantation, HIV infection and aging. In this regard, the development of artificial thymus has recently been attracting much attention. To achieve this aim, the development of techniques for 3D culture of thymic stromal cells is necessary because thymocytes grown only in a 3D thymic microenvironment can be differentiated fully to become mature, immunocompetent T cells; the same cannot be achieved for thymocytes grown in 2D. This study aimed to develop a nanotechnology-based 3D culture technique using polymeric scaffolds for thymic epithelial cells (TECs), the main component of thymic stromal cells. Scanning electron microscopic observation revealed that the pores of both PCL and PCL/PLGA scaffolds were filled with TECs. Interestingly, TECs grown in 3D on polydopamine-coated scaffolds exhibited enhanced cell attachment and proliferation compared to those grown on non-coated scaffolds. In addition, the gene expression of thymopoietic factors was upregulated in TECs cultured in 3D on polydopamine-coated scaffolds compared to those cultured in 2D. Taken together, the results of the present study demonstrate an efficient 3D culture model for TECs using polymeric scaffolds and provide new insights into a novel platform technology that can be applied to develop functional, biocompatible scaffolds for the 3D culture of thymocytes. This will eventually shed light on techniques for the in vitro development of T cells as well as the synthesis of artificial thymus.
A series of biodegradable polymeric scaffolds was prepared by using a combination of natural (collagen) and synthetic (poly(caprolactone)) (PCL) polymers in various compositions. These scaffolds were soft, spongy, porous and transparent in nature and were characterized by thermogravimetric analysis (TGA) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The entrapment efficiency and drug release activity of the scaffolds were analyzed using penicillin and tetracycline as antimicrobial drugs. The drug release activity of the scaffolds with various combinations of collagen and PCL were studied by measuring the optical density in a spectrophotometer at the following time intervals: 1,4, 24, 48 and 60 h. These scaffolds showed better and continuous drug release for up to 60 h. Even after such a long duration, a portion of the drug remained entrapped in the scaffolds, indicating that they can be utilized for wound healing applications.
Tissue engineering may be adequately defined as the science of persuading the body to regenerate or repair tissue that fail to regenerate or heal spontaneously. In the various techniques of cartilage tissue engineering, the use of 3-dimensional polymeric scaffolds implanted at a tissue defect site is usually involved. These scaffolds provided a framework for cells to attach, proliferate, and form extracellular matrix(ECM). The scaffolds may also serve as carriers for cells and/or growth factors. In the ideal case, scaffold absorb at a predefined rate so that the 3-dimensional space occupied by the initial scaffold is replaced by regenerated host tissue. (omitted)
Tissue engineering and regenerative medicine strategies could offer new hope for patients with serious tissue injuries or end-stage organ failure. Scientists are now applying the principles of cell transplantation, material science, and engineering to create biological substitutes that can restore and maintain normal function in diseased or injured tissues/organs. Specifically, creation of engineered tissue construct requires a polymeric biomaterial scaffold that serves as a cell carrier, which would provide structural support until native tissue forms in vivo. Even though the requirements for scaffolds may be different depending on the target applications, a general function of scaffolds that need to be fulfilled is biodegradability, biological and mechanical properties, and temporal structural integrity. The scaffold's internal architecture should also enhance the permeability of nutrients and neovascularization. In addition, the stem cell field is advancing, and new discoveries in tissue engineering and regenerative medicine will lead to new therapeutic strategies. Although use of stem cells is still in the research phase, some therapies arising from tissue engineering endeavors that make use of autologous adult cells have already entered the clinic. This review discusses these tissue engineering and regenerative medicine strategies for various tissues and organs.
The development of nanotechnology has penetrated the fields of biology and medicine, resulting in remarkable applications for tissue regeneration. In order to apply this technology to tissue engineering, we have developed nano-scaled 3D scaffolds consisting of growth factor-loaded heparin/poly(l-lysine) nanoparticles (NPs) attached to the surface of polymeric micro spheres via polyionic complex methods. Growth factor-loaded NPs were simply produced as polyelectrolyte complexes with diameters of 100-200 nm. They were then coated onto positively charged poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) pretreated with polyethyleneimine to enable cell adhesion, proliferation, and stimulation of neurite outgrowth. Propidium iodide staining and $\beta$-tubulin analysis revealed that neuronal PC12 cells proliferated extensively, expressed significant amounts of b-tubulin, and showed well-structured neurite outgrowth on polymeric microspheres by stimulation with growth factors. These results suggest that cellular adhesion and biological functionality on prepared PLGA microspheres enabled terminal differentiation of neuronal cells.
Proceedings of the Polymer Society of Korea Conference
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2006.10a
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pp.268-268
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2006
Due to their multipotency, stem cells can differentiate into a variety of specialized cell types, such as chondrocytes, osteoblasts, myoblasts, and nerve cells. As an alternative to mature tissue cells, stem cells are of importance in tissue engineering and regenerative medicine. Since interactions between scaffold and cells play an important role in the tissue development in vitro, synthetic oligopeptides have been immobilized onto polymeric scaffolds to improve specific cell attachment and even to stimulate cell differentiation. In this study, chondrogenic differentiation of stem cells was evaluated using surface-modified PLLA scaffolds, i.e., either hydrophilic acrylic acid (AA)-grafted PLLA or RGD-immobilized one. Porous PLLA scaffolds were prepared using a gas foaming method, followed by plasma treatment and subsequent grafting of AA to introduce a hydrophilicity (PLLA-PAA). This was further processed to fix RGD peptide to make an RGD-immobilized scaffold (PLLA-PAA-RGD). Stem cells were seeded at $1{\times}10^{6}$ cells per scaffold and the cell-PLLA constructs were cultured for up to 4 weeks in the chondrogenic medium. Using these surface-modified scaffolds, adhesion, proliferation, and chondrogenic differentiation of stem cells were evaluated. The surface of PLLA scaffolds turned hydrophilic (water contact angle, 45 degrees) with both plasma treatment and AA grafting. The hydrophilicity of RGD-immobilized surface was not significantly altered. Cell proliferation rate on the either PLLA-PAA or PLLA-PAA-RGD surface was obviously improved, especially with the RGD-immobilized one as compared to the control PLLA one. Chondrogenic differentiation was clearly identified with Safranin O staining of GAG in the AA- or RGD-grafted PLLA substrates. This study demonstrated that modified polymer surfaces may provide better environment for chondrogenesis of stem cells.
In this study, we tried to design and synthesize using natural polymers (hyaluronic acid and sodium alginate) and also to make some kinds of scaffolds as sponge type for reducing the burst effect of loaded drug from them. Photo-dimerizable group was incorporated to hyaluronic acid and degradable hydrogel was prepared by the UV radiation of the polymer. The pore size and its distribution of scaffold were controlled by changing microsphere production conditions such as solution concentration and spraying pressure. It was found that drug release behavior from synthesized scaffolds was affected by hybridization of two naturally originated polymers (cinnamoylated tetrabutylammonium hyaluronate: CHT and cinnamolylated sodium alginate: CSA) and the obtained scaffolds were degraded in fairly long time (about 2 months) under in vitro environment. Therefore, we expect that obtained scaffolds can be applicable for the tissue regeneration scaffolds in the fields of orthopaedic surgery.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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