Generation of suturable artificial cornea from the integration of exfoliated graphene with gelatin glycidyl methacrylate

项目摘要 在这个项目中，我们建议设计一个混合支架从整合明胶甲基丙烯酸缩水甘油酯 （GELGYM）与剥离的原始石墨烯（EG），伴随着双交联技术，可以 用作可缝合的人工角膜。我们将确定（1）混合GELGYM膜是否作为一种 支持细胞生长和分化的生物相容性人工角膜;（2）混合物的能力 支架作为角膜替代物。 本文提出的分化和生物相容性研究将 提供与宿主细胞接触的杂交支架的生物整合程度的定量信息， 角膜细胞和细胞外基质在体外和体内条件下。 我们预期石墨烯的剥离、其在GELGYM水凝胶结构中的整合以及随后的 双交联可以在覆盖有纳米颗粒的水凝胶微结构中产生纳米颗粒微球形空腔， 石墨烯产生锚定点，可以承受撕裂，在施加物理应力后， 缝线穿过结构。这可以减少在抛光期间形成凹口的趋势，同时增强 结构的机械性能，并促进其植入患者体内。 此外，我们预计， 整合将进一步促进角膜细胞的细胞增殖和分化， 葡萄糖和氧气的扩散。 此外，我预计剥离的石墨烯的整合将积极地 调节上皮-内皮基质细胞和内皮基质细胞的相互作用。 这种方法的成功可以减少 或消除对供体角膜的需要，并对许多患者的生活质量产生积极影响。 研究目标得到了培训计划的支持，培训计划的重点是获得相关的多学科知识。 在细胞和分子生物学、病理生理学、组织工程学和材料学领域的专业知识 科学为此，一个“指导小组”，其中包括主要的导师，博士Chodosh，沿着与两个共同的 导师：冈萨雷斯博士和孔博士已经聚集。 此外，帕斯卡利斯博士作为一个独立的 合作者将支持动物处理、手术和术后护理方面的技术培训，沿着 数据分析和解释在将支架植入兔眼后的动物发现。 这群导师将在K99辅导阶段指导我实现我的长期职业目标， 成为一个科学家-在我的领域的领导者，拥有一个强大的独立实验室。 我认为这个奖项将 为我提供了一个很好的平台，使我能够成功地过渡到独立研究 教师的地位（这包括过渡到R 00阶段的奖励），并在长期内，以富有成效的 竞争独立的NIH（R 01）资金。 我的培训还将通过期间的课程进行补充 在改进陈述和写作技能方面的辅导阶段（赠款和手稿），手稿 审查、指导和发展领导能力和实验室管理技能。

PROJECT SUMMARY     In  this  project,  we  propose  to  design  a  hybrid  scaffold  from  the  integration  of  gelatin  glycidyl  methacrylate  (GELGYM)  with  exfoliated  pristine  graphene  (EG),  accompanied  by  double  crosslinking  technique,  that  can  function as a suturable artificial cornea. We will determine (1) whether hybrid GELGYM membranes acts as a  biocompatible  artificial  cornea  that  supports  cell  growth  and  differentiation;;  and  (2)  the  capability  of  the  hybrid  scaffold  to  function  as  a  corneal  substitute.  The  differentiation  and  biocompatibility  studies  proposed  here  will  offer  quantitative  information  on  the  degree  of  biointegration  of  the  hybrid  scaffold  in  contact  with  the  host’s  corneal cells and extracellular matrix under in vitro and in vivo conditions.     We expect that exfoliation of graphene, its integration in the GELGYM hydrogel architecture and subsequent  double crosslinking can create an nano-­microspherical cavities in the hydrogel microstructure covered with the  graphene  create  anchoring  points  that  can  withstand  against  tearing,  after  applying  the  physical  stress  to  the  suture passing the construct. This can diminish the tendency to form notches during suturing, while enhancing  mechanical  properties  of  the  construct  and  facilitate  its  implantation  in  patients.  Moreover,  we  expect  integration  will  further  promote  cell  proliferation  and  differentiation  of  corneal  cells,  allowing  for  the appropriate  diffusion  of  glucose  and  oxygen.  Additionally,  I  anticipate  that  integration  of  exfoliated  graphene  will  positively  regulate  epithelial-­stromal  and  endothelial  stromal  cell  interactions.  The  success  of  this  approach  can  reduce  or eliminate the need for donor corneas and positively impact the quality of life for many patients.     The  research  aims  are  supported  by  a  training  plan  focused  on  the  acquisition  of  relevant  multidisciplinary  expertise  in  the  fields  of  cellular  and  molecular  biology,  pathophysiology,  tissue-­engineering  and  material  science. To this end, a “Mentoring Team” which includes the leading mentor, Dr. Chodosh, along with two co-­ mentors:  Dr.  Gonzalez  and  Dr.  Kong  has  been  assembled.  Moreover,  Dr.  Paschalis  as  an  independent  collaborator  will  support  on  technical  training  on  animal  handling,  surgery,  and  postoperative  care  along  with  data analysis and interpretation of animal findings following implantation of the scaffold into rabbit eyes.     This  group  of  mentors  will  guide  me  during  the  K99  mentored  phase  to  achieve  my long-­term  career  goal  of  becoming  a  scientist-­leader  in  my  field  with  a  strong  independent  laboratory.  I  envision  that  this  award  will  provide  me  with  an  excellent  platform  from  which  to  have  a  successful  transition  to  independent  research  faculty status (this includes the transition into the R00 phase of the award) and in the long term, to productively  compete  for  independent  NIH  (R01)  funding.  My  training  will  also  be  complemented  by  courses  during  the  mentored  phase  in  the  improvement  of  presentation  and  writing  skills  (grants  and  manuscripts),  manuscript  review, mentoring, and development of leadership abilities and laboratory management skills.