Biomimetic Approaches to Control Soluble Concentration Gradients in Biomaterials

Macromolecular Bioscience

Volumn 11, Issue 4, 2011, Pages 483-492

  Nguyen, Eric H ^a   Schwartz, Michael P ^a   Murphy, William L ^a  

^a University of Wisconsin Health   (United States)

Author keywords

Biomaterials; Diffusion; Hydrogels; Proteins; Tissue engineering

Indexed keywords

BIOMATERIAL SCAFFOLDS; BIOMIMETIC STRATEGY; CONCENTRATION GRADIENTS; DESIGN SYSTEMS; EMBRYONIC DEVELOPMENT; ENGINEERING TECHNIQUES; GRADIENT FORMATION; IN-VITRO; MICROFLUIDIC TECHNIQUES; MORPHOGEN GRADIENTS; THERAPEUTIC APPLICATION; TISSUE DEVELOPMENT; TISSUE ENGINEERING APPLICATIONS; TISSUE FORMATION; TOOLSETS;

BIOMATERIALS; BIOMIMETICS; ENGINEERING; HYDROGELS; PHYSIOLOGICAL MODELS; TISSUE;

TISSUE ENGINEERING;

BIOMATERIAL;

ANALYTICAL PARAMETERS; BIOMIMETICS; EXTRACELLULAR MATRIX; MICROFLUIDIC ANALYSIS; PUMP; REVIEW; SOLUBLE CONCENTRATION GRADIENT;

ANIMALS; BIOMIMETIC MATERIALS; BIOMIMETICS; DRUG DELIVERY SYSTEMS; HUMANS; MICROFLUIDIC ANALYTICAL TECHNIQUES; MICROFLUIDICS; SIGNAL TRANSDUCTION;

EID: 79953074255     PISSN: 16165187     EISSN: 16165195     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/mabi.201000448     Document Type: Review

References (129)

1. H. L. Ashe, J. Briscoe, Development 2006, 133, 385.
2. J. B. Gurdon, P. Y. Bourillot, Nature 2001, 413, 797.
3. P. A. Lawrence, Nat. Cell Biol. 2001, 3, E151.
4. O. Wartlick, A. Kicheva, M. Gonzalez-Gaitan, Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2009, 1, a001255.
5. D. Yan, X. Lin, Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2009, 1, 93.
6. J. C. Smith, A. Hagemann, Y. Saka, P. H. Williams, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B 2008, 363, 1387.
7. A. Akeson, A. Herman, D. Wiginton, J. Greenberg, Microvasc. Res. 2010, 80, 65.
8. M. A. Swartz, Curr. Opin. Biotechnol. 2003, 14, 547.
9. C. M. Nelson, BBA-Mol. Cell Res. 2009, 1793, 903.
10. E. Dessaud, V. Ribes, N. Balaskas, L. L. Yang, A. Pierani, A. Kicheva, B. G. Novitch, J. Briscoe, N. Sasai, PLoS Biol. 2010, 8, DOI: 10.1371/journal.pbio.1000382.
11. K. Dongkyun, S. Jinsoo, E. J. Jin, Cell. Biol. Int. 2010, 34, 763.
12. L. Christiaen, A. Stolfi, M. Levine, Dev. Biol. 2010, 340, 179.
13. K. Saha, D. V. Schaffer, Development 2006, 133, 889.
14. R. J. White, Q. Nie, A. D. Lander, T. F. Schilling, PLoS Biol. 2007, 5, 2522.
15. T. M. Keenan, A. Folch, Lab Chip 2008, 8, 34.
16. B. G. Chung, J. Choo, Electrophoresis 2010, 31, 3014.
17. I. Meyvantsson, D. J. Beebe, Annu. Rev. Anal. Chem. 2008, 1, 423.
18. K. Gupta, D. H. Kim, D. Ellison, C. Smith, A. Kundu, J. Tuan, K. Y. Suh, A. Levchenko, Lab Chip 2010, 10, 2019.
19. M. P. Lutolf, Integr. Biol. 2009, 1, 235.
20. L. G. Griffith, M. A. Swartz, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2006, 7, 211.
21. M. P. Lutolf, J. A. Hubbell, Nat. Biotechnol. 2005, 23, 47.
22. M. W. Tibbitt, K. S. Anseth, Biotechnol. Bioeng. 2009, 103, 655.
23. S.-H. Lee, H. Shin, Adv. Drug Deliv. Rev. 2007, 59, 339.
24. C. C. Lin, K. S. Anseth, Pharm. Res. 2009, 26, 631.
25. C. R. Nuttelman, M. A. Rice, A. E. Rydholm, C. N. Salinas, D. N. Shah, K. S. Anseth, Prog. Polym. Sci. 2008, 33, 167.
26. K. S. Anseth, D. C. Svaldi, C. T. Laurencin, R. Langer, "Photopolymerization", Vol. 673, American Chemical Society, Washington 1997, p. 189.
27. K. S. Anseth, C. N. Bowman, L. Brannon-Peppas, Biomaterials 1996, 17, 1647.
28. A. M. Kloxin, C. J. Kloxin, C. N. Bowman, K. S. Anseth, Adv. Mater. 2010, 22, 3484.
29. V. V. Abhyankar, M. W. Toepke, C. L. Cortesio, M. A. Lokuta, A. Huttenlocher, D. J. Beebe, Lab Chip 2008, 8, 1507.
30. D. Kim, M. A. Lokuta, A. Huttenlocher, D. J. Beebe, Lab Chip 2009, 9, 1797.
31. T. Kim, M. Pinelis, M. M. Maharbiz, Biomed. Microdevices 2009, 11, 65.
32. Y. N. Du, M. J. Hancock, J. K. He, J. L. Villa-Uribe, B. Wang, D. M. Cropek, A. Khademhosseini, Biomaterials 2010, 31, 2686.
33. F. Q. Nie, M. Yamada, J. Kobayashi, M. Yamato, A. Kikuchi, T. Okano, Biomaterials 2007, 28, 4017.
34. K. Campbell, A. Groisman, Lab Chip 2007, 7, 264.
35. S. K. W. Dertinger, D. T. Chiu, N. L. Jeon, G. M. Whitesides, Anal. Chem. 2001, 73, 1240.
36. N. L. Jeon, S. K. W. Dertinger, D. T. Chiu, I. S. Choi, A. D. Stroock, G. M. Whitesides, Langmuir 2000, 16, 8311.
37. J. Y. Park, C. M. Hwang, S. H. Lee, S.-H. Lee, Lab Chip 2007, 7, 1673.
38. J. Lii, W. J. Hsu, H. Parsa, A. Das, R. Rouse, S. K. Sia, Anal. Chem. 2008, 80, 3640.
39. W. M. Liu, L. Li, X. M. Wang, L. Ren, X. Q. Wang, J. C. Wang, Q. Tu, X. W. Huang, J. Y. Wang, Lab Chip 2010, 10, 1717.
40. C. P. Huang, J. Lu, H. Seon, A. P. Lee, L. A. Flanagan, H. Y. Kim, A. J. Putnam, N. L. Jeon, Lab Chip 2009, 9, 1740.
41. T. M. Keenan, C. H. Hsu, A. Folch, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 114103.
42. A. L. Paguirigan, D. J. Beebe, Integr. Biol. 2009, 1, 182.
43. H. K. Wu, B. Huang, R. N. Zare, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4194.
44. J. P. Diao, L. Young, S. Kim, E. A. Fogarty, S. M. Heilman, P. Zhou, M. L. Shuler, M. M. Wu, M. P. DeLisa, Lab Chip 2006, 6, 381.
45. Y. Chisti, Crit. Rev. Biotechnol. 2001, 21, 67.
46. A. W. Tilles, H. Baskaran, P. Roy, M. L. Yarmush, M. Toner, Biotechnol. Bioeng. 2001, 73, 379.
47. A. Shamloo, S. C. Heilshorn, Lab Chip 2010, 10, 3061.
48. M. S. Kim, J. H. Yeon, J. K. Park, Biomed. Microdevices 2007, 9, 25.
49. B. Mosadegh, C. Huang, J. W. Park, H. S. Shin, B. G. Chung, S. K. Hwang, K. H. Lee, H. J. Kim, J. Brody, N. L. Jeon, Langmuir 2007, 23, 10910.
50. A. P. Wong, R. Perez-Castillejos, J. C. Love, G. M. Whitesides, Biomaterials 2008, 29, 1853.
51. S. R. Quake, A. Scherer, Science 2000, 290, 1536.
52. I. Meyvantsson, J. W. Warrick, S. Hayes, A. Skoien, D. J. Beebe, Lab Chip 2008, 8, 717.
53. R. Khnouf, D. J. Beebe, Z. H. Fan, Lab Chip 2009, 9, 56.
54. L. Ma, C. Zhou, B. Lin, W. Li, Biomed. Microdevices 2010, 12, 753.
55. P. J. Resto, B. J. Mogen, E. Berthier, J. C. Williams, Lab Chip 2010, 10, 23.
56. J. K. He, Y. A. Du, J. L. Villa-Uribe, C. M. Hwang, D. C. Li, A. Khademhosseini, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 131.
57. M. Biondi, F. Ungaro, F. Quaglia, P. A. Netti, Adv. Drug Deliv. Rev. 2008, 60, 229.
58. W. B. Liechty, D. R. Kryscio, B. V. Slaughter, N. A. Peppas, "Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering", Vol. 1, Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, Palo Alto 2010, p. 149.
59. S. N. Rothstein, S. R. Little, J. Mater. Chem. 2011, 21, 29.
60. B. J. Peret, W. L. Murphy, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3410.
61. R. R. Chen, E. A. Silva, W. W. Yuen, D. J. Mooney, Pharm. Res. 2007, 24, 258.
62. W. W. Yuen, N. R. Du, C. H. Chan, E. A. Silva, D. J. Mooney, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 17933.
63. M. C. Dodla, R. V. Bellamkonda, Biomaterials 2008, 29, 33.
64. X. Q. Wang, E. Wenk, X. H. Zhang, L. Meinel, G. Vunjak-Novakovic, D. L. Kaplan, J. Control. Release 2009, 134, 81.
65. G. S. Schultz, A. Wysocki, Wound Repair Regen. 2009, 17, 153.
66. Y. M. Yamashita, M. T. Fuller, D. L. Jones, J. Cell Sci. 2005, 118, 665.
67. E. L. Wilder, N. Perrimon, Development 1995, 121, 477.
68. D. S. W. Benoit, K. S. Anseth, Acta Biomater. 2005, 1, 461.
69. A. E. Rydholm, N. L. Held, D. S. W. Benoit, C. N. Bowman, K. S. Anseth, J. Biomed. Mater. Res. 2008, 86A, 23.
70. M. Tsurkan, K. Levental, U. Freudenberg, C. Werner, Chem. Commun. 2010, 46, 1141.
71. A. Zieris, S. Prokoph, P. Welzel, M. Grimmer, K. Levental, W. Panyanuwat, U. Freudenberg, C. Werner, J. Mater. Sci. Mater. Med. 2010, 21, 915.
72. A. Baldwin, K. Kiick, Biopolymers 2010, 94, 128.
73. U. Freudenberg, A. Hermann, P. B. Welzel, K. Stirl, S. C. Schwarz, M. Grimmer, A. Zieris, W. Panyanuwat, S. Zschoche, D. Meinhold, A. Storch, C. Werner, Biomaterials 2009, 30, 5049.
74. T. Nie, R. E. Akins, K. L. Kiick, Acta Biomater. 2009, 5, 865.
75. C. C. Lin, A. T. Metters, Biomacromolecules 2008, 9, 789.
76. F. Spinelli, K. Kiick, E. Furst, Biomaterials 2008, 29, 1299.
77. S. S. Cai, Y. C. Liu, X. Z. Shu, G. D. Prestwich, Biomaterials 2005, 26, 6054.
78. N. Yamaguchi, B. S. Chae, L. Zhang, K. L. Kiick, E. M. Furst, Biomacromolecules 2005, 6, 1931.
79. M. Wood, D. Hunter, S. Mackinnon, S. Sakiyama-Elbert, J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2010, 21, 771.
80. T. Luhmann, P. Hanseler, B. Grant, H. Hall, Biomaterials 2009, 30, 4503.
81. M. S. Hahn, J. S. Miller, J. L. West, Adv. Mater. 2006, 18, 2679.
82. B. D. Polizzotti, B. D. Fairbanks, K. S. Anseth, Biomacromolecules 2008, 9, 1084.
83. S. H. Lee, J. J. Moon, J. L. West, Biomaterials 2008, 29, 2962.
84. B. D. Fairbanks, M. P. Schwartz, A. E. Halevi, C. R. Nuttelman, C. N. Bowman, K. S. Anseth, Adv. Mater. 2009, 21, 5005.
85. C. A. DeForest, B. D. Polizzotti, K. S. Anseth, Nat. Mater. 2009, 8, 659.
86. J. C. Hoffmann, J. L. West, Soft Matter 2010, 6, 5056.
87. C. A. DeForest, E. A. Sims, K. S. Anseth, Chem. Mater. 2010, 22, 4783.
88. C. Y. Logan, R. Nusse, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2004, 20, 781.
89. R. Gillitzer, M. Goebeler, J. Leukoc. Biol. 2001, 69, 513.
90. S. Werner, R. Grose, Physiol. Rev. 2003, 83, 835.
91. G. C. Gurtner, S. Werner, Y. Barrandon, M. T. Longaker, Nature 2008, 453, 314.
92. A. M. Lowman, M. Morishita, M. Kajita, T. Nagai, N. A. Peppas, J. Pharm. Sci. 1999, 88, 933.
93. K. C. Gupta, M. N. V. Ravi Kumar, Polym. Int. 2000, 49, 141.
94. J. Shi, L. H. Liu, X. M. Sun, S. K. Cao, J. F. Mano, Macromol. Biosci. 2008, 8, 260.
95. K. Ishihara, M. Kobayashi, N. Ishimaru, I. Shinohara, Polym. J. 1984, 16, 625.
96. Y. H. Bae, T. Okano, S. W. Kim, J. Polym. Sci., Part B Polym. Phys. 1990, 28, 923.
97. T. Okano, Y. H. Bae, H. Jacobs, S. W. Kim, J. Control. Release 1990, 11, 255.
98. Y. H. Bae, T. Okano, S. W. Kim, J. Control. Release 1989, 9, 271.
99. Y. H. Bae, T. Okano, R. Hsu, S. W. Kim, Makromol. Chem. Rapid Commun. 1987, 8, 481.
100. P. Alexandridis, J. F. Holzwarth, T. A. Hatton, Macromolecules 1994, 27, 2414.
101. N. S. Satarkar, J. Z. Hilt, J. Control. Release 2008, 130, 246.
102. O. Saslawski, C. Weingarten, J. P. Benoit, P. Couvreur, Life Sci. 1988, 42, 1521.
103. Z. H. Lu, M. D. Prouty, Z. H. Guo, V. O. Golub, C. Kumar, Y. M. Lvov, Langmuir 2005, 21, 2042.
104. K. Kooiman, M. R. Bohmer, M. Emmer, H. J. Vos, C. Chlon, W. T. Shi, C. S. Hall, S. de Winter, K. Schroen, M. Versluis, N. de Jong, A. van Wamel, J. Control. Release 2009, 133, 109.
105. I. C. Kwon, Y. H. Bae, S. W. Kim, Nature 1991, 354, 291.
106. S. H. Yuk, S. H. Cho, H. B. Lee, Pharm. Res. 1992, 9, 955.
107. C. J. Whiting, A. M. Voice, P. D. Olmsted, T. C. B. McLeish, J. Phys. Condens. Matter 2001, 13, 1381.
108. X. Liu, G. J. Pettway, L. K. McCauley, P. X. Ma, Biomaterials 2007, 28, 4124.
109. W. J. King, J. S. Mohammed, W. L. Murphy, Soft Matter 2009, 5, 2399.
110. W. J. King, M. W. Toepke, W. L. Murphy, Acta Biomater., DOI: 10.1016/j.actbio.2010.10.026.
111. W. King, W. Murphy, Polym. Chem., DOI: 10.1039/c0py00244e.
112. A. H. Zisch, M. P. Lutolf, M. Ehrbar, G. P. Raeber, S. C. Rizzi, N. Davies, H. Schmokel, D. Bezuidenhout, V. Djonov, P. Zilla, J. A. Hubbell, FASEB J. 2003, 17, 2260.
113. T. Tokatlian, C. T. Shrum, W. M. Kadoya, T. Segura, Biomaterials 2010, 31, 8072.
114. A. A. Aimetti, M. W. Tibbitt, K. S. Anseth, Biomacromolecules 2009, 10, 1484.
115. A. A. Aimetti, A. J. Machen, K. S. Anseth, Biomaterials 2009, 30, 6048.
116. H. Nagase, G. B. Fields, Biopolymers 1996, 40, 399.
117. A. T. Metters, K. S. Anseth, C. N. Bowman, Polymer 2000, 41, 3993.
118. J. A. Burdick, L. M. Philpott, K. S. Anseth, J. Polym. Sci., Part A Polym. Chem. 2001, 39, 683.
119. A. S. Gobin, J. L. West, FASEB J. 2002, 16, 751.
120. J. L. West, J. A. Hubbell, Macromolecules 1999, 32, 241.
121. M. P. Lutolf, J. L. Lauer-Fields, H. G. Schmoekel, A. T. Metters, F. E. Weber, G. B. Fields, J. A. Hubbell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 5413.
122. G. A. Hudalla, T. S. Eng, W. L. Murphy, Biomacromolecules 2008, 9, 842.
123. S. Lan-Levengood, W. L. Murphy, Curr. Stem Cell Res. Ther. 2010, 5, 261.
124. W. J. King, L. Jongpaiboonkit, W. L. Murphy, J. Biomed. Mater. Res. 2010, 93A, 1110.
125. L. Jongpaiboonkit, W. J. King, W. L. Murphy, Tissue Eng. A 2009, 15, 343.
126. L. Jongpaiboonkit, W. J. King, G. E. Lyons, A. L. Paguirigan, J. W. Warrick, D. J. Beebe, W. L. Murphy, Biomaterials 2008, 29, 3346.
127. D. R. Albrecht, V. L. Tsang, R. L. Sah, S. N. Bhatia, Lab Chip 2005, 5, 111.
128. W. G. Koh, L. J. Itle, M. V. Pishko, Anal. Chem. 2003, 75, 5783.
129. Y. Ling, J. Rubin, Y. Deng, C. Huang, U. Demirci, J. M. Karp, A. Khademhosseini, Lab Chip 2007, 7, 756.