Comprendre l'électrospinnage

L'électrospinnage est une technique de fabrication de fibres polyvalente et hautement contrôlable qui est devenue la pierre angulaire de l'ingénierie tissulaire, notamment pour la création d'échafaudages qui imite l'architecture nanofibre de la matrice extracellulaire native. Dans le contexte de la réparation du cartilage, les échafaudages électrospun offrent une plateforme prometteuse pour soutenir la fonction chondricytaire, guider la déposition de la matrice et finalement restaurer la fonction articulaire. Le processus repose fondamentalement sur un champ électrique haute tension (généralement de 10 à 30 kV) appliqué entre un spinneret conductif et un collecteur. Lorsque la force électrique surmonte la tension de surface d'une solution de polymère ou de fondre, un jet chargé est éjecté, subit une instabilité de fouettage due à la répulsion électrostatique et s'étire en fibres continues avec des diamètres allant de nanomètres à quelques micromètres.

Contrairement aux techniques traditionnelles de fabrication d'échafaudages, comme le lixiviation, la mousse de gaz ou la coulée de solvants, qui produisent des pores dans les dizaines à des centaines de micromètres mais qui manquent de topographie continue des fibres, l'électrospinnage génère un réseau dense de fibres qui recapitulent les repères physiques des chondriocytes rencontrés in vivo. Le cartilage lui-même est un tissu avasculaire dense avec une ECM hautement organisée dominée par des fibres de collagène de type II (de diamètre de 50 à 200 nm) entrelacées avec des agrégats protéoglycanes. Les échafaudages électrospun peuvent approximer cette structure hiérarchique, fournissant un support mécanique et des conseils biologiques pour l'attachement, la prolifération et la différenciation des cellules.

Au-delà du mimétisme structurel, l'électrospinnage permet d'intégrer directement des molécules bioactives dans les fibres, soit en les mélangeant avec la solution de polymères, par l'intermédiaire de spinnerets coaxiaux (fibres de coquillages), soit par la fonctionnalisation post-spinning.Cette polyvalence fait de l'électrospinnage une plateforme attrayante pour la livraison de facteurs de croissance, de cytokines ou de médicaments d'une manière contrôlée et soutenue, une caractéristique particulièrement précieuse pour la régénération du cartilage, où l'inflammation et la dégénérescence sont souvent comorbides.

Matériaux utilisés dans les échafaudages à imitation de cartilage

Le choix des polymères est peut-être la décision la plus critique en électrospinnage pour l'ingénierie du cartilage. Les matériaux doivent être biocompatibles, biodégradables à une vitesse correspondant à la formation de néotissues, traitables par électrospinnage, et capables de supporter les phénotypes chondrogéniques. Les polymères naturels et synthétiques ont été explorés, souvent en mélanges pour combiner les propriétés souhaitables.

Polymères synthétiques

  • Polycaprolactone (PCL): La PCL est un polyester semi-cristallin biodégradable avec un taux de dégradation lent (2-4 ans in vivo), d'excellentes propriétés mécaniques et l'approbation de la FDA pour de nombreux dispositifs médicaux. Son faible point de fusion (~60 °C) et sa solubilité dans les solvants organiques communs (p. ex. dichlorométhane, chloroforme) facilitent l'électrospin. Cependant, la PCL est hydrophobe et manque de motifs d'adhérence cellulaire, de sorte qu'elle est souvent mélangée à des polymères naturels ou à des produits modifiés en surface (p. ex., traitement plasmatique, collagène) pour améliorer l'attachement et la propagation des chondriocytes.
  • Poly(lactic-]co-acide glycolique) (PLGA):[ La PLGA est un copolymère d'acides lactiques et glycoliques dont le taux de dégradation peut être adapté par le rapport monomère. Les fibres se dégradent par hydrolyse, produisant des sous-produits acides généralement bien tolérés. Il a été démontré que les échafaudages PLGA soutiennent la prolifération des chondriocytes et la synthèse des ECM.
  • Le poly(acide lactique) (PLA) et l'acide poly(glycolique) (PGA):[ Le PLA (surtout l'isomère L, PLLA) et le PGA ont également été électrospun pour les applications de cartilage. Le PLLA est plus cristallin et se dégrade lentement, tandis que le PGA se dégrade rapidement. Leurs propriétés mécaniques (surtout la rigidité) peuvent influencer le phénotype chondricaire; des substrats très rigides peuvent favoriser le fibrocartilage plutôt que le cartilage hyaline.

Polymères naturels

  • La gélatine est dérivée du collagène et conserve de nombreux motifs de liaison cellulaire (p. ex., séquences RGD). Elle est hydrosoluble, biodégradable et relativement peu coûteuse. La gélatine peut être électrospun de solutions aqueuses ou de systèmes de co-solvants, mais sa faible résistance mécanique et sa solubilité élevée dans l'eau à des températures physiologiques nécessitent souvent une liaison croisée (p. ex. glutaraldéhyde, géniphine, EDC/NHS) pour maintenir l'intégrité structurelle.
  • Collagène type I et II: Le collagène est la principale protéine ECM du cartilage (type II) et est un matériau idéal pour l'échafaudage en raison de sa bioactivité naturelle, de sa biocompatibilité et de sa faible immunogénicité. L'électrospinnage du collagène pur nécessite des solvants spécialisés (p. ex. 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol, HFIP) et un contrôle minutieux du pH et de la force ionique.
  • Chitosan: Chitosan est un polysaccharide cationique dérivé de la chitine, avec une similitude structurelle avec les GAG trouvés dans le cartilage ECM. Il est biodégradable, non toxique, et a des propriétés antimicrobiennes. Les solutions de Chitosan sont électrospinnables à partir de solutions aqueuses d'acide acétique, mais sa viscosité élevée et sa tendance à former des complexes polyélectrolytes peuvent rendre difficile la filature.
  • Hyaluronic acid (HA): HA is a non-sulfated GAG abundant in cartilage and synovial fluid, playing key roles in joint lubrication and cell signaling. HA is highly hydrophilic and anionic, making it challenging to electrospin as a pure polymer; it is usuallyLes échafaudages contenant des HA améliorent la migration des chondriocytes et le dépôt des ECM, mais nécessitent une manipulation soigneuse pour éviter une dissolution rapide.

Les lentilles de polymères synthétiques et naturels sont de plus en plus utilisées pour combiner la robustesse mécanique des synthétiques avec les repères biologiques des naturels. Les combinaisons courantes comprennent les PCL/gélatine, PLGA/collagène et PCL/chitosan. Ces mélanges peuvent atteindre des diamètres de fibres de 200 à 1000 nm, des porosités > 80 % et des moduli tensiles comparables au cartilage natif (0,5 à 2 MPa).

Techniques d'électrospinnage

La configuration de base de l'électrospinning a été affinée en plusieurs variantes, chacune offrant des avantages uniques pour l'ingénierie d'échafaudage de cartilage.

Solution Électrospinnage

Il s'agit de la méthode la plus utilisée. Le polymère est dissous dans un solvant organique volatil (ou un système à base d'eau pour polymères naturels) pour former une solution avec une viscosité, une conductivité et une tension de surface optimales. Les paramètres tels que le débit (0,5–5 mL/h), la tension appliquée (10–25 kV), la distance de l'aiguille au collecteur (10–20 cm) et les conditions ambiantes (température, humidité) doivent être optimisés pour chaque système de solvant polymère. L'électrospinnage de solution peut produire des fibres continues de diamètre aussi petit que des dizaines de nanomètres.

Électrospinnage

L'électrospinning de fusion utilise un polymère au lieu d'une solution, éliminant ainsi le besoin de solvants organiques et évitant les problèmes de toxicité. Cette méthode est particulièrement intéressante pour les polymères comme les PCL et les PLA qui ont des points de fusion bien définis. L'électrospinning de fusion produit généralement des diamètres de fibres plus grands (habituellement >1 μm) que pour l'électrospinning de solution, parce que la viscosité de fusion est plus élevée et que le jet ne subit pas le même degré d'instabilité de fouettage. Néanmoins, l'électrospinning de fusion offre des avantages pour l'augmentation de la production (pas de récupération de solvant nécessaire) et pour créer des échafaudages plus épais et plus robustes mécaniquement.

Électrospinnage coaxial

L'électrospinnage coaxial utilise une installation à double aiguille concentrique : une aiguille intérieure porte une solution de noyau (souvent contenant des facteurs de croissance, des médicaments ou un polymère mécaniquement supportant) tandis qu'une aiguille extérieure porte une solution de polymère de coque. La haute tension provoque l'éjection simultanée des deux solutions, formant une fibre de noyau qui encapsule le matériau de noyau. Dans le domaine de l'ingénierie du cartilage, l'électrospinnage coaxial a été utilisé pour encapsuler le facteur de croissance transformant-β1 (TGF-β1) ou le facteur de croissance analogue à l'insuline-1 (IGF-1) dans une coque PCL ou PLGA, permettant une libération prolongée au cours de jours à semaines.

Électrospinnage multijet et sans aiguille

L'électrospinnage traditionnel à un seul orifice peut augmenter le débit de production. L'électrospinnage sans aiguille, dans lequel une électrode (par exemple un fil rotatif ou un cylindre) prend la solution de polymères d'un bain et déclenche simultanément plusieurs jets, peut obtenir des ordres de grandeur de débit plus élevés. Bien que ces méthodes produisent moins de diamètres de fibres uniformes que la filature à un orifice, elles sont étudiées pour la production commerciale d'échafaudages de cartilage. Pour la réparation du cartilage, où les défauts sont souvent petits (1 à 5 cm2) et propres au patient, le débit peut ne pas être un facteur limitant, mais pour les produits à l'avenir hors du rayon, l'évolutivité deviendra essentielle.

Collecteurs de fibres de lignage

Les fibres aléatoires produisent des propriétés mécaniques isotropes et favorisent la propagation cellulaire dans toutes les directions, alors que les fibres alignées induisent des propriétés de contact et de mécanique anisotrope, importantes pour imiter l'organisation zonale du cartilage articulaire, où les fibres de collagène dans la zone superficielle sont orientées parallèlement à la surface articulaire, dans la zone médiane sont aléatoires, et dans la zone profonde sont perpendiculaires à l'os sous-chondral. Pour produire des fibres alignées, les collecteurs peuvent être conçus comme des tambours tournant rapidement (jusqu'à plusieurs milliers de tr/min), des réseaux d'électrodes parallèles ou des disques tournants.

Conception d'échafaudages à imitation de cartilage

La conception d'un échafaudage électrospun pour le cartilage nécessite un équilibre des propriétés structurales, mécaniques et biologiques. L'échafaudage doit soutenir la propagation cellulaire, maintenir une morphologie ronde (typique des chondriocytes), favoriser le dépôt ECM, et résister aux charges mécaniques du mouvement articulaire.

Propriétés mécaniques

Le cartilage articulaire est un matériau viscoélastique avec un module compressif de 0,5-2 MPa et un module de traction de 5-15 MPa. Les échafaudages électrospun ont généralement un module compressif inférieur (0,05–0,5 MPa) en raison de leur porosité élevée et de leur petit diamètre de fibre, mais ils peuvent être renforcés par une augmentation du diamètre des fibres, une réduction de la porosité ou un mélange avec des polymères plus rigides (p. ex., l'ajout de cellulose nanocristalline ou d'hydroxyapatite). Pour le cartilage, un échafaudage idéal devrait être suffisamment rigide pour résister à la charge articulaire mais pas si raide qu'il empêche le remodelage de la matrice médiée par les cellules.

Porosité et taille des pores

Cependant, les échafaudages électrospun ont souvent de petits pores (quelques micromètres) en raison de l'emballage dense des fibres, ce qui peut empêcher l'infiltration cellulaire. Diverses stratégies ont été développées pour augmenter la taille des pores : incorporer des fibres sacrificielles (p. ex., des PEO hydrosolubles qui peuvent être lixiviés), électrospinnage cryogénique (collecter les fibres sur un mandrin froid pour former des cristaux de glace qui créent des macropores), ou combiner électrospinnage avec des particules de lixiviation. Les tailles des pores dans la gamme de 100 à 300 μm sont considérées comme optimales pour la croissance des chondriocytes. L'efficacité des semis cellulaires peut être améliorée par des méthodes dynamiques de semis (p. ex., centrifugation ou shaker orbital) ou par la création d'architectures macroporeuses utilisant l'impression 3D combinée à l'électrospinage.

Taux de dégradation

L'échafaudage devrait se dégrader à un rythme qui correspond à la nouvelle déposition de l'ECM, généralement sur plusieurs mois pour la réparation du cartilage. Les polymères à dégradation rapide comme PGA (semaines à mois) peuvent perdre l'intégrité mécanique avant que la matrice soit produite. Les polymères à dégradation lente comme PCL (années) peuvent persister trop longtemps, ce qui entrave l'intégration complète.

Fonctionnalité de surface

Pour améliorer la bioactivité, les fibres électrospun peuvent être enrobées de protéines ECM (collagène, fibronectine, laminine) ou chargées de facteurs de croissance. On a démontré que l'immobilisation de TGF-β1 ou de protéines morphogénétiques osseuses-2 (BMP-2) à la surface de la fibre augmente la chondrogenèse des cellules souches mésenchymiques (CSM).

Demandes et recherche actuelle

Dans les études in vitro, des chondriocytes humains ont été semés sur des échafaudages électrospun PCL/gélatine et ont maintenu le phénotype chondrigène pendant 28 jours, avec une teneur en GAG et collagène de type II. Il a été démontré que les fibres coaxiales libérant du TGF-β1 induisaient la différenciation des MSC humains en cellules de type chondricytaires sans avoir besoin d'une supplémentation externe du facteur de croissance.

In vivo les études réalisées sur des modèles de lapin, de chèvre et de mouton ont montré des résultats prometteurs. Par exemple, des échafaudages électrospun PCL/chitosan implantés dans des défauts ostéochondral du genou de lapin ont favorisé la réparation du fibrocartilage avec une meilleure intégration que les témoins non traités. Dans un modèle de chèvre, des échafaudages bicouches combinant une couche de PLGA électrospun (côté cartilage) avec un substitut microporeux de greffe osseuse (côté osseux) ont obtenu une guérison presque complète à 6 mois. Quelques études pilotes humaines ont utilisé du collagène électrospun ou des échafaudages PLGA pour la réparation du cartilage en combinaison avec des chondriocytes ou des MSC autologues, avec des améliorations dans les scores de douleur et de fonction.

Au-delà de la réparation à base d'échafaudages, les fibres électrospun sont utilisées pour la délivrance de médicaments pour le contrôle de l'inflammation (p. ex., l'incorporation de médicaments anti-inflammatoires comme le diclofénac) et comme régénération de tissus guidés par membranes de barrière ou pour la lubrification articulaire (matelas d'acide hyaluronique d'électrospun).

Défis et orientations futures

Malgré ces progrès considérables, plusieurs défis demeurent avant que les échafaudages de cartilage électrospun deviennent une option clinique standard.

Infiltration cellulaire

La taille limitée des pores des tapis électrospun – souvent inférieure à 20 μm – limite la migration cellulaire dans l'intérieur de l'échafaudage, ce qui entraîne une bordure de cellules à la surface et un noyau nécrotique. Bien que des techniques comme le lixiviation du sel, la filature cryogénique et l'impression/électrospinnage hybride en 3D aient amélioré l'infiltration, il reste difficile d'obtenir une distribution cellulaire uniforme dans les échafaudages épais (>2 mm).

Vascularisation et anisotropie

Cependant, pour les défauts ostéochondriques (impliquant à la fois le cartilage et l'os), la partie osseuse subchondriale doit subir une vascularisation. Les échafaudages électrospun pour les constructions bicouches ou dégradées doivent être conçus avec des pores et des facteurs de croissance (par exemple, le VEGF pour le côté osseux) qui supportent à la fois la chondrogenèse et l'ostéogenèse. De plus, il faut imiter la structure zonale du cartilage (superficielle, milieu, zone profonde) avec différentes orientations fibreuses et compositions biochimiques est un axe de recherche actuel : certains groupes utilisent l'électrospinning pour produire des tapis stratifiés ou des modèles imprimés en 3D qui guident le dépôt de fibres.

Écaillage et stérilisation

L'électrospinnage est sensible aux conditions ambiantes (humidité, température), à la variabilité des lots de polymères et au blocage des aiguilles. Les systèmes sans aiguille et multijets sont en cours de perfectionnement, mais des problèmes d'uniformité persistent. Les méthodes de stérilisation (oxyde d'éthylène, irradiation gamma, faisceaux électroniques) ne doivent pas dégrader les solvants échafaudés ou résiduels; la stérilisation supercritique au CO2 apparaît comme une solution de rechange douce.

Stabilité et intégration à long terme

Cependant, les sous-produits de dégradation (p. ex. l'acide lactique de PLGA) peuvent diminuer le pH local, pouvant causer une inflammation ou une calcification. La maîtrise de la dégradation par la conception de polymères et l'utilisation de sels de base pour tamponner l'acidité sont des stratégies à l'étude. L'intégration au cartilage de l'hôte, un problème notoirement difficile, est améliorée par la formation d'une interface transparente par des revêtements de croisement ou de bioadhésifs in situ.

Orientations futures

Les technologies avancées d'électrospinnage telles que l'électrospinnage en champ proche (NFES) permettent l'écriture directe de fibres avec précision micrométrique, permettant des formes d'échafaudages spécifiques au patient qui correspondent à une géométrie de défaut de cartilage (obtenue par IRM ou CT scans). Les systèmes hybrides combinant l'électrospinnage avec la bioimpression 3D peuvent produire des échafaudages avec des hiérarchies micro et macro-échelle : un cadre imprimé 3D fournit une intégrité structurelle et de gros pores, tandis que les nanofibres électrospun remplissent les interstices pour fournir une topographie instructive cellulaire.

Pour plus de détails, consultez les récents examens sur l'électrospinning pour l'ingénierie tissulaire du cartilage (PubMed link[), l'électrospinning coaxial pour l'administration des facteurs de croissance (Matériaux biomédicaux), et le rôle de l'alignement des fibres dans la chondrogenèse (Acta Biomatérialia.