Engineering an aligned endothelial monolayer on a topologically modified nanofibrous platform with a micropatterned structure produced by femtosecond laser ablation

Abstract

혈류의 방향과 일렬인 혈관내피세포단층은 혈관벽의 초기면역반응과 항 혈전반응의 조절에 결정적인 역할을 한다. 따라서, 많은 연구자들이 인공혈관 혹은 조직공학적 혈관의 내피세포의 방향성 구조를 모사하기 위한 시도를 계속해오고 있다. 이 연구에서는, 내피세포층의 밀집된 방향성 구조를 형성하기 위해 팸토초 레이저 융삭 기술을 이용하여 마이크로패턴화 나노섬유를 제작하였다. 팸토초 레이저 융삭법은 비방향성 전기방사 나노섬유에 20 과 80 μm 간격의 고해상도의 패턴 (10 μm 너비) 을 형성할 수 있게 하였다. 패턴화 나노섬유는 이방성의 물 접촉각 (가로: 101.11 ± 4.0°, 세로: 123.5 ± 9.4°) 을 보였지만, 기계적 특성은 두 방향에서 일정하였다. 마이크로패턴화 나노섬유는 패턴 방향을 따라 혈관내피세포의 방향성구조와 종횡비 (20 µm: 0.23 ± 0.11 and 80 µm: 0.42 ± 0.18) 를 조절하였다. 특히, 제작된 방향성 혈관내피세포층은 항 면역성 반응 (비방향성 또는 방향성 나노섬유보다 대략 50% 더 높음) 을 끌어내는 데 효과적이었고, 그것 때문에 TNF-α 처리 후 단핵구 흡착을 효과적으로 막아주었다. 그러므로, 레이저 융삭에 의한 마이크로패터닝 기술은 다양한 기질 위에 고해상도의 마이크로패턴을 생성하는데 이용될 수 있고, 그것 때문에 혈관 조직 공학을 위한 기초적인 플랫폼을 제공할 수 있다.; A monolayer of endothelial cells (ECs) aligned along the direction of blood flow plays crucial roles in regulation of anti-thrombogenic and pro-inflammatory reactions in the blood vessel wall. Thus, many researchers have attempted to mimic the aligned structure of ECs in vascular grafts or tissue-engineered blood vessels. In the present study, I fabricated micro-groove patterned nanofibers using a femtosecond laser ablation technique to recapitulate the densely organized anisotropic architecture of the endothelial layer. Femtosecond laser ablation enabled us to generate high-resolution groove patterns (10 µm width) with 20 or 80 µm gaps on randomly oriented electrospun nanofibers. The patterned nanofibers exhibited anisotropic (transverse: 101.1 ± 4.0° and longitudinal: 123.5 ± 9.4°) water contact angles; however, the mechanical properties were consistent in both directions. The micropatterned nanofibers modulated the aligned structure or aspect ratio (20 µm: 0.23 ± 0.11 and 80 µm: 0.42 ± 0.18) of ECs along the pattern direction. In particular, the engineered aligned endothelial layer was effective in an anti-inflammatory response (approximately 50% greater than that of random or aligned nanofibers), effectively preventing monocyte adhesion following activation by TNF-α treatment. Therefore, micropatterning by laser ablation can be utilized to generate high-resolution microgrooves on various substrates, thereby providing fundamental platforms for vascular tissue engineering.