Maintenance of pluripotency is crucial to the mammalian embryo's ability to generate the extra-embryonic and embryonic tissues that are needed for intrauterine survival and foetal development. The recent establishment of embryonic stem cells from human blastocysts (hESCs) provides an opportunity to identify the factors supporting pluripotency at early stages of human development. Using this in vitro model, we have recently shown that Nodal can block neuronal differentiation, suggesting that TGFβ family members are involved in cell fate decisions of hESCs, including preservation of their pluripotency. Here, we report that Activin/Nodal signalling through Smad2/3 activation is necessary to maintain the pluripotent status of hESCs. Inhibition of Activin/Nodal signalling by follistatin and by overexpression of Lefty or Cerberus-Short, or by the Activin receptor inhibitor SB431542, precipitates hESC differentiation. Nevertheless, neither Nodal nor Activin is sufficient to sustain long-term hESC growth in a chemically defined medium without serum. Recent studies have shown that FGF2 can also maintain long-term expression of pluripotency markers, and we find that inhibition of the FGF signalling pathway by the tyrosine kinase inhibitor SU5402 causes hESC differentiation. However, this effect of FGF on hESC pluripotency depends on Activin/Nodal signalling, because it is blocked by SB431542. Finally, long-term maintenance of in-vitro pluripotency can be achieved with a combination of Activin or Nodal plus FGF2 in the absence of feeder-cell layers, conditioned medium or Serum Replacer. These findings suggest that the Activin/Nodal pathway maintains pluripotency through mechanism(s) in which FGF acts as a competence factor and therefore provide further evidence of distinct mechanisms for preservation of pluripotency in mouse and human ESCs.

We have used three dimensional (3D) extrusion printing to manufacture a multi-active solid dosage form or so called polypill. This contains five compartmentalised drugs with two independently controlled and well-defined release profiles. This polypill demonstrates that complex medication regimes can be combined in a single personalised tablet. This could potentially improve adherence for those patients currently taking many separate tablets and also allow ready tailoring of a particular drug combination/drug release for the needs of an individual. The polypill here represents a cardiovascular treatment regime with the incorporation of an immediate release compartment with aspirin and hydrochlorothiazide and three sustained release compartments containing pravastatin, atenolol, and ramipril. X-ray powder diffraction (XRPD) and Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) were used to assess drug-excipient interaction. The printed polypills were evaluated for drug release using USP dissolution testing. We found that the polypill showed the intended immediate and sustained release profiles based upon the active/excipient ratio used.

Both human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells can self-renew indefinitely in culture; however, present methods to clonally grow them are inefficient and poorly defined for genetic manipulation and therapeutic purposes. Here we develop the first chemically defined, xeno-free, feeder-free synthetic substrates to support robust self-renewal of fully dissociated human embryonic stem and induced pluripotent stem cells. Material properties including wettability, surface topography, surface chemistry and indentation elastic modulus of all polymeric substrates were quantified using high-throughput methods to develop structure–function relationships between material properties and biological performance. These analyses show that optimal human embryonic stem cell substrates are generated from monomers with high acrylate content, have a moderate wettability and employ integrin αvβ3 and αvβ5 engagement with adsorbed vitronectin to promote colony formation. The structure–function methodology employed herein provides a general framework for the combinatorial development of synthetic substrates for stem cell culture. Structure–property relationships between material properties and stem cell behaviour are investigated using high-throughput methods. The data identify the optimal substrates within a range of different polymeric surfaces to support the growth and self-renewal of human embryonic stem cells from fully dissociated single cells.

Three dimensional (3D) printing was used as a novel medicine formulation technique for production of viable tablets capable of satisfying regulatory tests and matching the release of standard commercial tablets. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC 2208) (Methocel™ K100M Premium) and poly(acrylic acid) (PAA) (Carbopol® 974P NF) were used as a hydrophilic matrix for a sustained release (SR) layer. Hypromellose® (HPMC 2910) was used as a binder while microcrystalline cellulose (MCC) (Pharmacel® 102) and sodium starch glycolate (SSG) (Primojel®) were used as disintegrants for an immediate release (IR) layer. Commercial guaifenesin bi-layer tablets (GBT) were used as a model drug (Mucinex®) for this study. There was a favourable comparison of release of the active guaifenesin from the printed hydrophilic matrix compared with the commercially available GBT. The printed formulations were also evaluated for physical and mechanical properties such as weight variation, friability, hardness and thickness as a comparison to the commercial tablet and were within acceptable range as defined by the international standards stated in the United States Pharmacopoeia (USP). All formulations (standard tablets and 3D printed tablets) showed Korsmeyer-Peppas n values between 0.27 and 0.44 which indicates Fickian diffusion drug release through a hydrated HPMC gel layer.

We have employed three-dimensional (3D) extrusion-based printing as a medicine manufacturing technique for the production of multi-active tablets with well-defined and separate controlled release profiles for three different drugs. This ‘polypill’ made by a 3D additive manufacture technique demonstrates that complex medication regimes can be combined in a single tablet and that it is viable to formulate and ‘dial up’ this single tablet for the particular needs of an individual. The tablets used to illustrate this concept incorporate an osmotic pump with the drug captopril and sustained release compartments with the drugs nifedipine and glipizide. This combination of medicines could potentially be used to treat diabetics suffering from hypertension. The room temperature extrusion process used to print the formulations used excipients commonly employed in the pharmaceutical industry. Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) and X-ray powder diffraction (XRPD) were used to assess drug–excipient interaction. The printed formulations were evaluated for drug release using USP dissolution testing. We found that the captopril portion showed the intended zero order drug release of an osmotic pump and noted that the nifedipine and glipizide portions showed either first order release or Korsmeyer–Peppas release kinetics dependent upon the active/excipient ratio used.

The high spatial resolution of secondary ion mass spectrometry and the high resolving power of the Orbitrap mass spectrometer are combined in a single imaging platform, the 3D OrbiSIMS. The instrument's capabilities for resolving lipids and neurotransmitters in the brain with subcellular spatial resolution, and a drug in a single cell in three dimensions is demonstrated. We report the development of a 3D OrbiSIMS instrument for label-free biomedical imaging. It combines the high spatial resolution of secondary ion mass spectrometry (SIMS; under 200 nm for inorganic species and under 2 μm for biomolecules) with the high mass-resolving power of an Orbitrap (>240,000 at m/z 200). This allows exogenous and endogenous metabolites to be visualized in 3D with subcellular resolution. We imaged the distribution of neurotransmitters—gamma-aminobutyric acid, dopamine and serotonin—with high spectroscopic confidence in the mouse hippocampus. We also putatively annotated and mapped the subcellular localization of 29 sulfoglycosphingolipids and 45 glycerophospholipids, and we confirmed lipid identities with tandem mass spectrometry. We demonstrated single-cell metabolomic profiling using rat alveolar macrophage cells incubated with different concentrations of the drug amiodarone, and we observed that the upregulation of phospholipid species and cholesterol is correlated with the accumulation of amiodarone.

Bacterial attachment and subsequent biofilm formation pose key challenges to the optimal performance of medical devices. In this study, we determined the attachment of selected bacterial species to hundreds of polymeric materials in a high-throughput microarray format. Using this method, we identified a group of structurally related materials comprising ester and cyclic hydrocarbon moieties that substantially reduced the attachment of pathogenic bacteria (Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus and Escherichia coli). Coating silicone with these 'hit' materials achieved up to a 30-fold (96.7%) reduction in the surface area covered by bacteria compared with a commercial silver hydrogel coating in vitro, and the same material coatings were effective at reducing bacterial attachment in vivo in a mouse implant infection model. These polymers represent a class of materials that reduce the attachment of bacteria that could not have been predicted to have this property from the current understanding of bacteria-surface interactions.

A hot melt 3D inkjet printing method with the potential to manufacture formulations in complex and adaptable geometries for the controlled loading and release of medicines is presented. This first use of a precisely controlled solvent free inkjet printing to produce drug loaded solid dosage forms is demonstrated using a naturally derived FDA approved material (beeswax) as the drug carrier and fenofibrate as the drug. Tablets with bespoke geometries (honeycomb architecture) were fabricated. The honeycomb architecture was modified by control of the honeycomb cell size, and hence surface area to enable control of drug release profiles without the need to alter the formulation. Analysis of the formed tablets showed the drug to be evenly distributed within the beeswax at the bulk scale with evidence of some localization at the micron scale. An analytical model utilizing a Fickian description of diffusion was developed to allow the prediction of drug release. A comparison of experimental and predicted drug release data revealed that in addition to surface area, other factors such as the cell diameter in the case of the honeycomb geometry and material wettability must be considered in practical dosage form design. This information when combined with the range of achievable geometries could allow the bespoke production of optimized personalised medicines for a variety of delivery vehicles in addition to tablets, such as medical devices for example.