Co-patterining of cells and protein fibers to mimic muscle tissue

In tissue engineering, hydrogels have emerged as a suitable class of materials for cell en- capsulation. However, most models have an isotropic distribution of cells, which fails to capture the cellular organization of anisotropic tissues, such as muscles, tendons, or the heart [12]. In our previous work we have used acoustofluidics for patterning cells in a continuous manner [15]. However, we are limited to hydrogels that are compatible with the acoustofluidic technique. In this project, we designed anisotropic protein fibers to be co- patterned with cells using acoustofluidics. We tuned the protein fibers according to their interaction with cells. The shape of the fibers facilitated cell growth, differentiation, proliferation, and maintained their position. Collagen protein fibers were fabricated by extruding a high concentration collagen solution (35 mg ml-1) through a needle (d = 50 μm). Immunofluorescence staining was used to study the interaction between primary murine myoblasts and different proteins to identify a composition for protein fibers in 2D and 3D cell culture. During this study we compared different protein substrates for myoblast growth and differentiation using Matrigel as a positive control. The results were used to improve cell attachment to the collagen fibers by varying the precursor solution composition. Initial fiber alignment experiments with the acoustofluidic device providing evidence that acoustics can be used to organize protein fibers for cellular alignment. In conclusion, the study between muscle cells and different natural substrates allowed us to understand which materials to use to form protein fibers for the future development of being able to align them through acoustofluidics to improve the engineering of muscle tissue mimics.

Nell’ingegneria dei tessuti, gli idrogeli sono emersi come una classe di materiali adatta per l’incapsulamento cellulare. Tuttavia, con la maggior parte dei modelli si ottiene una distribuzione isotropa delle cellule, che non riesce a ricreare l’organizzazione cellulare dei tessuti anisotropi, come i muscoli, i tendini o il cuore [12]. Nel nostro lavoro prece- dente abbiamo utilizzato l’acustofluidica per modellare le cellule in modo continuo [15]. Tuttavia, siamo limitati agli idrogel compatibili con la tecnica acustofluidica. In questo progetto, abbiamo progettato fibre di proteine anisotropiche da allineare con le cellule utilizzando l’acustofluidica e abbiamo regolato le fibre di proteine in base alla loro inter- azione con le cellule. La forma delle fibre facilita la crescita cellulare, la differenziazione, la proliferazione e il mantenimento della loro posizione. Le fibre proteiche di collagene sono state fabbricate estrudendo una soluzione di collagene ad alta concentrazione (35 mg ml-1) attraverso un ago (d = 50 μm). Lo staining a immunofluorescenza è stata utilizzato per studiare l’interazione tra mioblasti primari murinici e diverse proteine per identificare una composizione per le fibre proteiche in coltura cellulare 2D e 3D. Durante questo stu- dio abbiamo confrontato diversi substrati proteici per la crescita e la differenziazione dei mioblasti usando il Matrigel come controllo positivo. I risultati sono stati usati per miglio- rare l’adesione delle cellule alle fibre di collagene variando la composizione della soluzione inziale. I primi esperimenti di allineamento delle fibre con il dispositivo acustofluidico for- niscono la prova che l’acustica può essere utilizzata per organizzare le fibre proteiche per il mantenimento dell’allineamento cellulare. In conclusione, lo studio tra cellule muscolari e diversi substrati naturali ci ha permesso di capire quali materiali utilizzare per formare fibre di proteine con il futuro sviluppo di poterle allineare attraverso l’acustofluidica per migliorare l’ingegnerizzazione del tessuto muscolare invitro.