DE102015116610B4

DE102015116610B4 - Carbonated material and method for inducing cell differentiation therewith

Info

Publication number: DE102015116610B4
Application number: DE102015116610.0A
Authority: DE
Inventors: Yi-Ching Cheng
Original assignee: Linkwin Tech Co Ltd; LinkWin Technology Co Ltd
Current assignee: Linkwin Tech Co Ltd; LinkWin Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2035-10-01
Also published as: DE102015116610A1

Abstract

Verfahren zum Induzieren von Zelldifferenzierung mit einem karbonisierten Material, aufweisend: Bereitstellen eines Fasergewebes, das eine Polyacrylnitril-Faser aufweist; Karbonisieren des Fasergewebes bei hoher Temperatur zum Herstellen eines karbonisierten Materials (100), wobei das Fasergewebe für 1 bis 25 Minuten in einer Umgebung karbonisiert wird, die einen Druck zwischen 100 Torr und Atmosphärendruck und eine Temperatur zwischen 500 und 1200°C aufweist;wobei der Umgebung während des Karbonisierungsvorgangs ein inertes Gas zugeführt wird; wobei das karbonisierte Material (100) eine Mehrzahl von Kohlenstofffasern (10) aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Kohlenstofffasern (10) einen Hauptteil (12) und eine Mehrzahl von Stützen (14) aufweist; wobei die Mehrzahl von Stützen (14) auf einer Oberfläche des Hauptteils (12) angeordnet sind und derart angehäuft sind, dass ihre Achsen in verschiedenen Richtungen angeordnet sind; und Ausbringen einer Zelle (20), die eine Fähigkeit aufweist, sich zu einer spezialisierten Zelle (20) zu differenzieren, auf das karbonisierte Material (100), wobei die spezialisierte Zelle (20) eine bestimmte Funktion hat; wodurch die Zelle (20), durch das Anheften an die Mehrzahl von Stützen (14), angeregt wird, sich zu einer spezialisierten Zelle (20) zu differenzieren, wobei die Zelle (20) eine neuronale Stammzelle aufweist, und wobei das Verfahren zum Regenerieren des Nervensystems, das aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen beenträchtigt ist, verwendet wird.A method of inducing cell differentiation with a carbonized material, comprising: providing a fibrous web comprising a polyacrylonitrile fiber; Carbonizing the fibrous web at high temperature to produce a carbonized material (100), wherein the fibrous web is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure and a temperature between 500 and 1200 ° C; Environment is supplied during the Karbonisierungsvorgangs an inert gas; wherein the carbonized material (100) comprises a plurality of carbon fibers (10), each of the plurality of carbon fibers (10) having a body portion (12) and a plurality of pillars (14); wherein the plurality of pillars (14) are arranged on a surface of the main part (12) and are piled up so that their axes are arranged in different directions; and deploying a cell (20) having an ability to differentiate into a specialized cell (20) on the carbonized material (100), the specialized cell (20) having a particular function; whereby the cell (20) is stimulated, by adhering to the plurality of posts (14), to differentiate into a specialized cell (20), the cell (20) comprising a neural stem cell, and wherein the method is for regenerating of the nervous system that is due to illness or injury is used.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Zelldifferenzierung und betrifft insbesondere ein karbonisiertes Material und ein Verfahren zum Induzieren von Zelldifferenzierung mit dem karbonisierten Material.The present invention generally relates to cell differentiation, and more particularly relates to a carbonized material and a method of inducing cell differentiation with the carbonized material.

2. Beschreibung der bezogenen Technik2. Description of the related art

Aufgrund von bemerkenswerten Fortschritten in der neurowissenschaftlichen Forschung wurden verschiedene Ursachen von zerebraler Neuropathie entdeckt. Beispielsweise ist bei Parkinson-Patienten (z. B. Patienten mit der Parkinson'schen Krankheit; engl.: Parkinson's disease, PD) der Spiegel an Dopamin, einem Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS), unzureichend, weil Dopamin-freisetzende (z. B. dopaminerge) Neurone des ZNS dysfunktionell sind oder absterben. Dopamin ist für Basalganglien zum Anpassen der menschlichen Motorik (z. B. der Bewegungs-Funktionalität) essenziell (z. B. notwendig). Deshalb führt ein Absenken der Dopaminmenge zur Beeinträchtigung der Bewegungskoordination.Due to remarkable advances in neuroscience research, several causes of cerebral neuropathy have been discovered. For example, in Parkinson's disease patients (e.g., Parkinson's disease patients, PD), levels of dopamine, a neurotransmitter in the central nervous system (CNS), are inadequate because dopamine-releasing (e.g. B. dopaminergic) neurons of the CNS are dysfunctional or die off. Dopamine is essential (for example, necessary) for basal ganglia to adapt human motor functions (eg, motion functionality). Therefore, lowering the amount of dopamine leads to impaired locomotor coordination.

In den frühen Stadien der PD können Patienten Dopamin-Agonisten einnehmen, um den Mangel an Dopamin auszugleichen und dann die Schäden an Bewegungs-Funktionen (z. B. der Motorik) verzögern. Bei Patienten in fortgeschrittenen Stadien der PD führen Dopamin-Agonisten jedoch zu Nebenwirkungen, anstatt die Krankheit zu heilen. Als eine Folge davon würde in diesen Fällen eine Operation notwendig. Bei einer Art von chirurgischem Eingriff, genannt Zell-Substitutionstherapie (z. B. Zell-Ersatztherapie), werden Zellen transplantiert, die in dem Gehirn von PD-Patienten einen dopaminergen Phänotyp annehmen, so dass dysfunktionale Neurone ersetzt werden, oder es werden Brücken für die Zellregeneration bereitgestellt, so dass Wege (z. B. für die Signalübertragung) in einem Nervensystem wiederhergestellt werden.In the early stages of PD, patients may take dopamine agonists to compensate for the lack of dopamine and then delay the damage to motor functions (eg motor skills). However, in patients with advanced stages of PD, dopamine agonists cause side effects instead of curing the disease. As a result, an operation would be necessary in these cases. In one type of surgical procedure, called cell replacement therapy (eg, cell replacement therapy), cells are transplanted that take on a dopaminergic phenotype in the brain of PD patients to replace dysfunctional neurons or bridges become cell regeneration is provided so that pathways (eg, for signal transmission) in a nervous system are restored.

Die einen dopaminergen Phänotyp annehmenden Zellen werden klinisch aus menschlichen neuronalen Stammzellen (engl.: human neural stem cells, hNSCs) differenziert. Typischerweise werden hNSCs während des Differenzierungsvorgangs auf handelsüblichen zweidimensionalen (2D) Gewebekultur-Platten, die mit Polystyrol beschichtet sind, kultiviert. Auf diesem Weg entwickeln jedoch nur etwa 2% der Zellen dopaminerge Eigenschaften. Selbst nach Zugabe von Differenzierungsfaktor (DF) können nur höchstens etwa 18% der hNSCs zu dopaminergen Neuronen in Gesamtpopulationen von hNSCs differenziert werden. Daraus folgt, dass, obwohl die Zell-Substitutionstherapie tatsächlich die von Dopamin-Agonisten hervorgerufenen Nebenwirkungen verhindert, die Rate der Zelldifferenzierung noch Raum für Verbesserungen lässt. Aus der Letitia Amato et. al., ”Pyrolysed 3D-Carbon Scaffolds Induce Spontaneous Differentiation of Human Neural Stem Cells and Facilitate Real-Time Dopamine Detection”, Advanced Functional Materials, 2014, 24(44), S. 7042–7052 sind bereits pyrolysierte 3D-Kohlenstoff-Träger bekannt, die die Differenzierung von menschlichen neuronalen Stammzellen zu Dopamin produzierenden Neuronen induzieren. Dabei werden SU-8 Strukturen unter Stickstoff-Atmosphäre zwischen 200°C und 900°C 30 Minuten pyrolysiert, wobei ein pyrolysierter 3D-Kohlenstoff-Träger mit Stützen von 3 μm Durchmesser und 22 μm Höhe entsteht.The dopaminergic phenotype-accepting cells are clinically differentiated from human neural stem cells (hNSCs). Typically, hNSCs are cultured during the differentiation process on commercially available two-dimensional (2D) tissue culture plates coated with polystyrene. In this way, however, only about 2% of the cells develop dopaminergic properties. Even after addition of differentiation factor (DF), only a maximum of about 18% of hNSCs can be differentiated into dopaminergic neurons in total populations of hNSCs. As a result, although cell replacement therapy actually prevents the side effects caused by dopamine agonists, the rate of cell differentiation still leaves room for improvement. From the Letitia Amato et. al., "Pyrolysed 3D-Carbon Scaffolds Induce Spontaneous Differentiation of Human Neural Stem Cells and Facilitate Real-Time Dopamine Detection", Advanced Functional Materials, 2014, 24 (44), pp. 7042-7052 are already pyrolyzed 3D carbon supports known to induce the differentiation of human neuronal stem cells into dopamine-producing neurons. In this case, SU-8 structures are pyrolyzed under nitrogen atmosphere between 200 ° C and 900 ° C for 30 minutes, creating a pyrolysed 3D carbon support with supports of 3 microns in diameter and 22 microns in height.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Im Lichte des oben Gesagten ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein karbonisiertes Material und ein Verfahren zum Induzieren (z. B. Anregen) von Zelldifferenzierung mit dem karbonisierten Material bereitzustellen. Das karbonisierte Material imitiert eine in vivo-Umgebung mit ihrer dreidimensionalen (3D) Packungsstruktur (z. B. Stapel-Struktur) als ein 3D-Gerüst (z. B. eine 3D-Plattform) zum Verbessern der Zelldifferenzierung.In light of the above, the main object of the present invention is to provide a carbonized material and a method for inducing (e.g., exciting) cell differentiation with the carbonized material. The carbonized material mimics an in vivo environment with its three-dimensional (3D) packing structure (eg, stacked structure) as a 3D framework (eg, a 3D platform) to improve cell differentiation.

Erfindungsgemäß wird gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein erfindungsgemäßes Material ist Gegenstand des Anspruchs 5. Die Unteransprüche definieren einige Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Induzieren von Zelldifferenzierung mit einem karbonisierten Material bereit. Das Verfahren zum Induzieren von Zelldifferenzierung weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Fasergewebes, Karbonisieren des Fasergewebes bei hoher Temperatur zum Herstellen eines karbonisierten Materials, und Ausbringen einer Zelle auf das karbonisierte Material. Das Fasergewebe weist eine Polyacrylnitril-Faser auf und wird für 1 bis 25 Minuten in einer Umgebung karbonisiert, die einen Druck zwischen 100 Torr und Atmosphärendruck (z. B. eine physikalische Atmosphäre) und eine Temperatur zwischen 500 und 1200°C aufweist. Während des Karbonisierungsvorgangs wird der Umgebung ein inertes Gas zugeführt. Das karbonisierte Material weist eine Mehrzahl von Kohlenstofffasern auf, wobei jede der Mehrzahl von Kohlenstofffasern einen Hauptteil und eine Mehrzahl von Stützen (z. B. Trägern und/oder Säulen und/oder Stützpfeilern) aufweist; die Mehrzahl von Stützen sind auf einer Oberfläche des Hauptteils angeordnet und sind angehäuft (z. B. aufgehäuft), wobei ihre Achsen in verschiedenen Richtungen angeordnet sind. Die Zelle weist eine Fähigkeit auf, sich zu einer spezialisierten Zelle zu differenzieren, die eine bestimmte Funktion hat. Wobei die Zelle, durch das Anheften an die während des Karbonisierungsvorgangs gebildete Mehrzahl von Stützen, induziert (z. B. angeregt) wird, sich zu der spezialisierten Zelle zu differenzieren.According to the invention is proposed according to claim 1. An inventive material is the subject of claim 5. The dependent claims define some examples of the method according to the invention. The present invention provides a method of inducing cell differentiation with a carbonized material. The method for inducing cell differentiation comprises the steps of providing a fibrous tissue, carbonizing the fibrous web at high temperature to produce a carbonized material, and applying a cell to the carbonized material. The fiber fabric comprises a polyacrylonitrile fiber and is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure (eg, a physical atmosphere) and a temperature between 500 and 1200 ° C. During the carbonation process, an inert gas is supplied to the environment. The carbonized material comprises a plurality of carbon fibers, each of the plurality of carbon fibers having a major portion and a plurality of pillars (eg, supports and / or pillars and / or pillars); the plurality of pillars are arranged on a surface of the main part and are piled up (eg, piled up) with their axes arranged in different directions. The cell has an ability to become a specialized cell differentiate, which has a specific function. Wherein, by adhering to the plurality of posts formed during the carbonation process, the cell is induced (eg, excited) to differentiate into the specialized cell.

Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein karbonisiertes Material als ein Substrat für Zelldifferenzierung bereit, das mittels eines Verfahrens hergestellt ist, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Fasergewebes, und Karbonisieren des Fasergewebes bei hoher Temperatur zum Herstellen eines karbonisierten Materials. Das Fasergewebe weist eine Polyacrylnitril-Faser auf und wird für 1 bis 25 Minuten in einer Umgebung karbonisiert, die einen Druck zwischen 100 Torr und Atmosphärendruck und eine Temperatur zwischen 500 und 1200°C aufweist. Während des Karbonisierungsvorgangs wird der Umgebung ein inertes Gas zugeführt. Das karbonisierte Material weist eine Mehrzahl von Kohlenstofffasern auf, wobei jede der Mehrzahl von Kohlenstofffasern einen Hauptteil und eine Mehrzahl von Stützen aufweist. Die Mehrzahl von Stützen sind auf einer Oberfläche des Hauptteils angeordnet und sind angehäuft, wobei ihre Achsen in verschiedenen Richtungen angeordnet sind.The present invention further provides a carbonized material as a substrate for cell differentiation, which is produced by a method comprising the steps of: providing a fiber fabric, and carbonizing the fiber fabric at a high temperature to produce a carbonized material. The fiber fabric comprises a polyacrylonitrile fiber and is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure and a temperature between 500 and 1200 ° C. During the carbonation process, an inert gas is supplied to the environment. The carbonized material has a plurality of carbon fibers, wherein each of the plurality of carbon fibers has a main part and a plurality of pillars. The plurality of pillars are arranged on a surface of the main part and are piled with their axes arranged in different directions.

Das karbonisierte Material der vorliegenden Erfindung wird bei medizinischer Behandlung angewendet, bei der eine neue Anwendung zum effektiven Verbessern der Zelldifferenzierungsrate bereitgestellt wird.The carbonized material of the present invention is used in medical treatment which provides a new application for effectively improving the cell differentiation rate.

KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE SEVERAL VIEWS OF THE DRAWINGS

Die vorliegende Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung einiger erläuternder Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:The present invention will be best understood by reference to the following detailed description of some illustrative embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

1 zeigt ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das das Verfahren zum Induzieren von Zelldifferenzierung mit dem karbonisierten Material darstellt; 1 FIG. 10 is a flow chart of a preferred embodiment of the present invention illustrating the method of inducing cell differentiation with the carbonized material; FIG.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der das Rasterelektronenmikroskop (engl.: scanning electron microscope, SEM)-Bild des karbonisierten Materials dargestellt ist; 2 shows a perspective view of the preferred embodiment of the present invention, in which the scanning electron microscope (SEM) image of the carbonized material is shown;

3 zeigt eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der das SEM-Bild der Stützen dargestellt ist; 3 shows a perspective view of the preferred embodiment of the present invention, in which the SEM image of the supports is shown;

4 ist eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 is a schematic representation of the preferred embodiment of the present invention;

5 zeigt eine perspektivische Ansicht des herkömmlichen Anheftens von hNSCs auf einem 2D-Gewebekultur-Substrat; und 5 Figure 4 is a perspective view of the conventional attachment of hNSCs to a 2D tissue culture substrate; and

6 ist eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der das Anheften von hNSCs auf einem 3D-karbonisierten Material, das Zelldifferenzierung induziert, dargestellt ist. 6 Figure 4 is a schematic representation of the preferred embodiment of the present invention in which the attachment of hNSCs to a 3D carbonized material inducing cell differentiation is shown.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Wie in 1 dargestellt, wird ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Induzieren von Zelldifferenzierung mit einem karbonisierten Material 100 wiedergegeben.As in 1 1, a flow chart of a method of inducing cell differentiation with a carbonized material is shown 100 played.

Das karbonisierte Material 100 weist ein Kohlenstoff-Fasergewebe auf, wobei dessen Karbonisierungs-Vorrichtung und das Herstellungsverfahren in dem taiwanesischen Patent 1445661 offenbart sind, wobei das Verfahren zum Herstellen des karbonisierten Materials 100 hierin kurz beschrieben werden wird und die unten genannten Schritte aufweist. Zuerst wird ein Fasergewebe, das eine Polyacrylnitril-Faser aufweist, bereitgestellt. Danach wird das Fasergewebe bei hoher Temperatur zum Herstellen des karbonisierten Materials 100 karbonisiert, wobei das Fasergewebe für 1 bis 25 Minuten in einer Umgebung karbonisiert wird, die einen Druck zwischen 100 Torr und Atmosphärendruck und eine Temperatur zwischen 500 und 1200°C aufweist. Zusätzlich wird der Umgebung während des Karbonisierungs-Vorgangs ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff, zum Abblocken von Luftsauerstoff zugeführt, so dass Oxidationsreaktionen vermieden werden. Das Verfahren zum Herstellen des karbonisierten Materials 100 wird hierin nicht im Detail beschrieben, da es in dem oben genannten Patent vollständig beschrieben wurde.The carbonized material 100 comprises a carbon fiber fabric, wherein its carbonizing apparatus and the manufacturing method in the Taiwanese Patent 1445661 wherein the method of producing the carbonized material 100 will be briefly described herein and having the below steps. First, a fiber fabric comprising a polyacrylonitrile fiber is provided. Thereafter, the fiber fabric becomes high-temperature for producing the carbonized material 100 carbonized, wherein the fibrous web is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure and a temperature between 500 and 1200 ° C. In addition, an inert gas, such as nitrogen, is added to the environment during the carbonation process to block off atmospheric oxygen, so that oxidation reactions are avoided. The method for producing the carbonized material 100 is not described in detail herein since it has been fully described in the above referenced patent.

Wie in 2 dargestellt, weist das karbonisierte Material 100 eine Mehrzahl von Kohlenstoff-Faserbündeln, die in einem Kreuz-und-Quer-Muster angeordnet sind, auf, wobei jedes der Mehrzahl von Kohlenstoff-Faserbündeln aus einer Mehrzahl von länglichen (z. B. längs sich erstreckenden und/oder in Längsrichtung ausgedehnten) Kohlenstoff-Fasern 10 besteht. Die Eigenschaft der Kohlenstoff-Faser 10 ist, dass, wie in dem Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bild bei starker Vergrößerung dargestellt, jede der Mehrzahl von länglichen Kohlenstoff-Fasern 10 einen länglichen (z. B. längs sich erstreckenden und/oder in Längsrichtung ausgedehnten) Hauptteil 12 und eine Mehrzahl von Stützen (z. B. Trägern und/oder Säulen und/oder Stützpfeilern) 14 aufweist, wobei die Mehrzahl von Stützen 14 auf einer Oberfläche des Hauptteils 12 angeordnet und angehäuft (z. B. aufgehäuft) sind, wobei ihre Achsen in verschiedenen Richtungen angeordnet sind (wie in 3 dargestellt).As in 2 shown, the carbonized material 100 a plurality of carbon fiber bundles arranged in a cross-and-transverse pattern, each of the plurality of carbon fiber bundles being formed from a plurality of elongate (eg, longitudinally extending and / or longitudinally extending) carbon fibers 10 consists. The property of carbon fiber 10 is that, as shown in the Scanning Electron Microscope (SEM) image at high magnification, each of the plurality of elongated carbon fibers 10 an elongate (eg, longitudinally extending and / or longitudinally extended) body 12 and a plurality of supports (eg, supports and / or columns and / or buttresses) 14 having the plurality of supports 14 on a surface of the main part 12 arranged and piled (eg piled up) with their axes arranged in different directions (as in FIG 3 shown).

Auf 4 kann Bezug genommen werden, um klar die Größe der Mehrzahl von Stützen und die Beziehung zwischen den Stützen 14 und Zellen zu definieren, wobei die Stützen 14 vertikal zu der Oberfläche des Hauptteils 12 und in einer Matrix-Anordnung dargestellt sind. Die Höhe D1 von jedem der Stützen 14 ist im Wesentlichen zwischen 0,001 und 5 mm; der Durchmesser D2 von jedem der Stützen 14 ist im Wesentlichen zwischen 1 und 4 μm.On 4 can be referred to clearly the size of the plurality of columns and the relationship between the columns 14 and to define cells, with the supports 14 vertical to the surface of the main part 12 and are shown in a matrix arrangement. The height D1 of each of the columns 14 is essentially between 0.001 and 5 mm; the diameter D2 of each of the columns 14 is essentially between 1 and 4 microns.

Zuletzt wird mindestens eine Zelle 20, die die Fähigkeit hat, sich zu mindestens einer spezialisierten Zelle auszudifferenzieren, auf das karbonisierte Material 100 ausgebracht. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Zelle 20 eine Mehrzahl von Zellen 20 auf, wobei die Zellen 20 menschliche neuronale Stammzellen (hNSCs) sind, jedoch bedeutet dies nicht eine Begrenzung der vorliegenden Erfindung. In anderen Ausführungsformen können die Zellen 20 Neuronen-ähnliche Zellen sein, die neuronale Vorläufer-Zellen sind, die ebenso in der Lage sind, sich zu Neuronen (z. B. Nervenzellen) auszudifferenzieren. Jede Nervenzelle weist spezifische Funktionen zum Auswachsen eines Axons und Freisetzen von Dopamin aus dem Axon zum Aussenden von elektrischen Pulsen sowie zum Aussenden von Signalen an eine andere Zelle auf.Last is at least one cell 20 having the ability to differentiate into at least one specialized cell, on the carbonized material 100 applied. In this preferred embodiment, the at least one cell 20 a plurality of cells 20 on, with the cells 20 human neural stem cells (hNSCs) are, however, this is not a limitation of the present invention. In other embodiments, the cells may 20 Neuron-like cells, which are neuronal precursor cells that are also capable of differentiating into neurons (e.g., nerve cells). Each neuron has specific functions for axonal outgrowth and release of dopamine from the axon to emit electrical pulses and send signals to another cell.

Wie in 5 dargestellt, werden hNSCs gewöhnlich bei dem Differenzierungsvorgang auf einem zweidimensionalen (2D) Zellkultur-Substrat 1 kultiviert. Wie oben beschrieben, ist die Differenzierungsrate der Zellen 20 auf diese Weise gering. Anders gesagt ist die Geschwindigkeit des Wachstums eines Axons 22 der Zellen 20 langsam, und die Effizienz der Freisetzung von Dopamin 24 ist ebenfalls gering. Außerdem ist, da jede der Zellen 20 flach auf dem Substrat 1 anhaftet, ein Kontaktwinkel 6 zwischen einem obersten Punkt von jeder der Zellen 20 und einer Oberfläche des Substrats 1 klein, wie in 5 dargestellt. Kleine Kontaktwinkel 6 führen zu geringem Zellwachstum, langsamer Bewegung und niedriger Differenzierungsrate.As in 5 As shown, hNSCs usually become involved in the differentiation process on a two-dimensional (2D) cell culture substrate 1 cultured. As described above, the differentiation rate of the cells 20 low in this way. In other words, the rate of growth of an axon 22 the cells 20 slow, and the efficiency of the release of dopamine 24 is also low. Besides, there's every one of the cells 20 flat on the substrate 1 adheres, a contact angle 6 between a top of each of the cells 20 and a surface of the substrate 1 small, like in 5 shown. Small contact angles 6 lead to low cell growth, slow movement and low differentiation rate.

Wie in 6 dargestellt, erlauben in dieser bevorzugten Ausführungsform die Stützen 14 des karbonisierten Materials 100 den Zellen 20, sich darauf auf eine eher 3D-Weise anzuheften, was sich günstig auf das Erzeugen der Axone 22 und der Freisetzung von Dopamin 24 aus den Endigungen der Axone 22 auswirkt. Außerdem ist das karbonisierte Material 100 elektrisch leitfähig, da die Kohlenstoffatome in dem karbonisierten Material 100 in der Form der sp²-Hybridisierung vorliegen. Daher sind die Kohlenstoffatome in dem karbonisierten Material 100 geeignet zum Aufnehmen von Elektronen. Andererseits dient Dopamin 24 als ein Elektron-Donor, der von den Stützen 14 angezogen wird; dabei sind die Endigungen der Axone 22 in der Lage, sich fest an den Stützen 14 anzuheften. Mittels der Beziehung zwischen den Axonen 22 und den Stützen 14 sind die Zellen 20 nicht flach an der Oberfläche des Hauptteils 12 angeheftet, was den Kontaktwinkel θ erhöhen und sich folglich vorteilhaft auf Zell-Wachstum, -Beweglichkeit und -Differenzierung auswirken kann.As in 6 shown allow in this preferred embodiment, the supports 14 of the carbonized material 100 the cells 20 to pin it down in a more 3D way, which is beneficial to creating the axons 22 and the release of dopamine 24 from the terminations of the axons 22 effect. In addition, the carbonized material 100 electrically conductive because the carbon atoms in the carbonized material 100 in the form of sp ² hybridization. Therefore, the carbon atoms are in the carbonized material 100 suitable for picking up electrons. On the other hand, dopamine is used 24 as an electron donor, from the props 14 is attracted; Here are the endings of the axons 22 able to hold tight to the supports 14 to adhere. By means of the relationship between the axons 22 and the supports 14 are the cells 20 not flat on the surface of the main part 12 attached, which may increase the contact angle θ and thus may have an advantageous effect on cell growth, mobility and differentiation.

Des Weiteren ruft die Zelldifferenzierung nicht nur morphologische Änderungen und Freisetzung von Dopamin 24 aus den Zellen 20 hervor, sondern erhöht ebenfalls die Konzentration von Tyrosin-Hydroxylase in den Zellen 20. Tyrosin-Hydroxylase ist ein Enzym, das die Hydroxylierung von Tyrosin katalysiert und für die Bildung von Dopamin 24 essenziell (z. B. notwendig) ist. Daher kann die Konzentration und die Aktivierung von Tyrosin-Hydroxylase in den Zellen 20 als Marker der Effizienz der Zelldifferenzierung angesehen werden. Im Vergleich zu den Zellen, die auf dem Substrat 1 angeheftet sind, weisen die Zellen 20, die auf dem karbonisierten Material 100 ausgebracht sind, eine höhere Konzentration und Aktivierung der Tyrosin-Hydroxylase nach dem Vorgang der Zelldifferenzierung auf. Daraus folgt, dass das karbonisierte Material 100 tatsächlich morphologische Änderungen und Zell-Signalübertragung über die Zelldifferenzierung induziert (z. B. anregt), so dass die Differenzierung der Zellen 20 verbessert wird.Furthermore, cell differentiation does not only cause morphological changes and release of dopamine 24 from the cells 20 but also increases the concentration of tyrosine hydroxylase in the cells 20 , Tyrosine hydroxylase is an enzyme that catalyzes the hydroxylation of tyrosine and the formation of dopamine 24 essential (eg necessary). Therefore, the concentration and activation of tyrosine hydroxylase in the cells 20 be considered as a marker of the efficiency of cell differentiation. Compared to the cells on the substrate 1 are attached, the cells show 20 on the carbonized material 100 higher concentration and activation of tyrosine hydroxylase after the process of cell differentiation. It follows that the carbonized material 100 actually induces morphological changes and cell signaling via cell differentiation (eg, stimulates), allowing the differentiation of cells 20 is improved.

In Zusammenfassung ergibt sich, dass das karbonisierte Material 100 als das Substrat für Zelldifferenzierung dient und Zellwachstum und Differenzierung aufgrund seiner dreidimensionalen Struktur und Leitfähigkeit induziert (z. B. anregt).In summary it follows that the carbonized material 100 serves as the substrate for cell differentiation and induces (eg, stimulates) cell growth and differentiation due to its three-dimensional structure and conductivity.

Das karbonisierte Material 100 in dieser Ausführungsform kann des Weiteren auf eine Kulturschale angewandt werden, wobei die Kulturschale eine Basis und einen aufnehmenden Raum aufweist; die Basis weist eine obere Oberfläche auf, die dem aufnehmenden Raum zugewandt ist. Das karbonisierte Material 100 kann auf der oberen Oberfläche aufgebracht sein (z. B. kann die obere Oberfläche mit dem karbonisierten Material 100 beschichtet sein), so dass sich die Zellen 20 anheften können zum entsprechenden Induzieren von Zelldifferenzierung.The carbonized material 100 in this embodiment, it may further be applied to a culture dish, the culture dish having a base and a receiving space; the base has an upper surface facing the receiving space. The carbonized material 100 may be applied to the upper surface (eg, the upper surface may be coated with the carbonized material 100 be coated), so that the cells 20 can attach to induce cell differentiation accordingly.

Das karbonisierte Material 100 kann ebenfalls zum Regenerieren eines Nervensystems, das aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen eingeschränkt ist, verwendet werden. Das Gewebe und Blut in der Nähe eines verletzten Bereiches weisen Stammzellen für die Geweberegeneration auf. Daher ist, für das Ziel, die neurologische Einschränkung zu heilen (z. B. zu reparieren), der Aufbau eines biologischen Gerüsts (z. B. einer biologischen Plattform) in dem Bereich der Verletzung essenziell für Zell-Anheftung, -Wachstum und -Differenzierung. Jedoch können herkömmliche biologische Plattformen die Geweberegeneration nur bis zu einem bestimmten Ausmaß unterstützen, haben jedoch keine Fähigkeit, die Geweberegeneration und Zelldifferenzierung zu induzieren. Folglich würde, wenn das karbonisierte Material 100 als das biologische Gerüst in den Bereich der Verletzung eingesetzt würde, das Wachstum und Differenzierung der Stammzellen induziert, so dass ein besserer Regenerationseffekt induziert (z. B. angeregt) würde.The carbonized material 100 can also be used to regenerate a nervous system that is restricted due to illness or injury. The tissue and blood near an injured area have stem cells for tissue regeneration. Therefore, for the goal of curing (e.g., repairing) the neurological constraint, building a biological scaffold (eg, a biological platform) in the area of the injury is essential for cell attachment, growth, and Differentiation. However, conventional biological platforms can only support tissue regeneration to a certain extent, but have no ability to induce tissue regeneration and cell differentiation. Consequently, if the carbonized material 100 as the biological scaffold would be deployed into the area of the injury, which induces growth and differentiation of the stem cells, so that a better regeneration effect would be induced (eg, stimulated).

Es muss darauf hingewiesen werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen. Alle äquivalenten Strukturen und Verfahren, die die in dieser Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen offenbarten Konzepte verwenden, sollten in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.It should be noted that the embodiments described above are merely some preferred embodiments of the present invention. All equivalent structures and methods that use the concepts disclosed in this specification and the appended claims should fall within the scope of the present invention.

Claims

A method of inducing cell differentiation with a carbonized material, comprising: providing a fibrous web comprising a polyacrylonitrile fiber; Carbonizing the fiber web at high temperature to produce a carbonized material ( 100 ), wherein the fiber fabric is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure and a temperature between 500 and 1200 ° C; wherein the environment during the Karbonisierungsvorgangs an inert gas is supplied; the carbonated material ( 100 ) a plurality of carbon fibers ( 10 ), wherein each of the plurality of carbon fibers ( 10 ) a main part ( 12 ) and a plurality of supports ( 14 ) having; the plurality of supports ( 14 ) on a surface of the main part ( 12 ) are arranged and piled so that their axes are arranged in different directions; and deploying a cell ( 20 ) having an ability to become a specialized cell ( 20 ) to differentiate between the carbonated material ( 100 ), the specialized cell ( 20 ) has a specific function; whereby the cell ( 20 ), by attaching to the plurality of supports ( 14 ), to become a specialized cell ( 20 ), whereby the cell ( 20 ) has a neural stem cell, and wherein the method is used to regenerate the nervous system that is prone to disease or injury.

Method according to claim 1, wherein a diameter (D2) of each of the supports ( 14 ) is substantially between 1 and 4 microns.

Method according to claim 1 or 2, wherein a height (D1) of each of the supports ( 14 ) is substantially between 0.001 and 5 mm.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the specialized cell ( 20 ) has a neuron that has the specific function of releasing dopamine.

A carbonized material as a substrate of cell differentiation, made by a method, comprising: providing a fibrous web comprising a polyacrylonitrile fiber; and carbonizing the fibrous web at high temperature to produce a carbonized material ( 100 ), wherein the fiber fabric is carbonized for 1 to 25 minutes in an environment having a pressure between 100 Torr and atmospheric pressure and a temperature between 500 and 1200 ° C; wherein the environment during the Karbonisierungsvorgangs an inert gas is supplied; the carbonated material ( 100 ) a plurality of carbon fibers ( 10 ), wherein each of the plurality of carbon fibers ( 10 ) a main part ( 12 ) and a plurality of supports ( 14 ) having; the plurality of supports ( 14 ) on a surface of the main part ( 12 ) are arranged and piled so that their axes are arranged in different directions, wherein the carbonized material ( 100 ) for the differentiation of neuronal stem cells and for the regeneration of the nervous system, which is impaired due to diseases or injuries.