Table of Contents

NNstructured hydrogel Scaffolds עבור Mimicking Native Cartilage ECM

נזק קרטיס מטראומה חריפה או תנאים ניוניים כגון אוסטאוארטיס משפיע על מיליונים ברחבי העולם, גרימת כאב, ניידות מופחתת, וירידה משמעותית באיכות החיים.יכולת הריפוי המוגבלת של טרחוס, בשל האופי האנוסקולרי שלה ודחיסות תא נמוכה, הופכת את שיקום התפקוד המשתנים באופן יוצא דופן של פעילות הנדסית מסורתית - כולל microfracage, מתודולוגיה חנקנית, וזמני התאוששות לטווח קצר יותר, אך ורקמת תאים מכנית למחצה, אך ורקמות, זמן קצר יותר, אך ורקמותרפיסטאוסטרותרפיה פיזית, הן יכולות טיפולית למחצה, אך ורקמותרפיסטית מתמשכת.

התפקיד הקריטי של מטריקס אקסטרים

המרטריקס התוספתי (ECM) של cartilage articular הוא רשת מיוחדת מאוד, רב-קומנטלית המספקת יושרה מבנית, מקלה על התפלגות עומס ומספקת אותות ביוכימיים לchondrocytes תושב.הבנת ההרכב שלה חיוני לתכנון הפיגמומים ביו-גנטיים יעילים.

הרכב המולקולרי והארגון

קרטלגיל ECM מורכב בעיקר מסוג II קולגן fibrils, Proteoglycans כגון aggrecan, ו ריכוז גבוה של מים (עד 80% על ידי משקל) coagen fibrils מאורגנים לתוך רשת מורכבת תלת-ממדית עם ארכיטקטורה חזקה של לחץ חזק דחוס (Ricial דחוס), אזור גירוד ביניים, אזור מעבר ביניים, ואזור רדיוני עמוק זה, 000 דחיסה נמוכה, 000 דחוסים, 000 דחוסים, 000 קומפקטיים מגנטיים, 000 דחוסים ייחודי נגד דחוסים מגנטיים ייחודי דחוסים מגנטיים, 000 דחוסים, 000 דחוסים, 000 דחוסים דחוסים דחוסים, 000 דחוסים מבודדים מגנטיים, 000 דחוסים מבודדים, 000 דחוסים, 000 דחוסים מבודדים דחוסים דחוסים דחוסים לחץ ייחודי דחוסים, 000 דחוסים דחוסים דחוסים דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ דחוסים לחץ דחוסים לחץ דחוסים לחץ ייחודי דחוסים לחץ דחוסים לחץ דחוסים

אותות וקווי מכניים

מעבר לתמיכה מבנית, ECM מספק רמזים ביוכימיים ומכניים המסדירים chondrocyte phenotype ו- matrix תחזוקה. Integrin-mediaed adhesion to collagen and other ECMמולקולות, יחד עם גורמי צמיחה מפוזרים (למשל, TGF-β, BMPs), שליטה בגני, התפשטות, וריאציות שונות.Nanotype של phenicolicols) של תכונות CMigiculance ו-igicericulating , כמו גם כן, כמו כן, כמו כן, כדי לענות ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .

Nanostructured hydrogel Scaffolds: הנדסה בקנה מידה ביולוגי

הידרוגלים הם רשתות פולימרים מים המכילים תוכן מים גבוה, כימיה טונהבל, וסביבה תלת-ממדית המזכירה את הילידים ECM. כאשר מונדס עם תכונות ננומטריות - כגון סיבים, גדלים פושר, וחוספס פני השטח - הם הופכים פלטפורמות חזקות עבור הנדסה רקמת טרחוס.

המונחים: key Characteristics

הידרוג'לים ממובנים מוגדרים על ידי נוכחות של תכונות על סדר 1-100 nm. אלה יכולים לכלול nanofibers, חלקיקים מוטבע בתוך המטריקס, נקבוביות ננומטרית, או תבניות ניווט מולקולרית ברמה גבוהה. בניגוד הידרוג'לים קונבנציונליים עם micron-scaleogeneity, חומרים אלה מציגים רמזים טופוגרפיים וביוכימיים כי ישירות עם ממשק סלולרי ו- ECMs תכונות מכילות מסוימות.

קטגוריות של Nanostructured hydrogels

  • (FLT:0) Nanofiber מבוסס הידרוג'ל: OVAFLT:1 ; אלקטרוספנון ננופיבר (מפולימרים טבעיים כמו קולגן, ג'לטין, או פולימרים סינתטיים כמו PCL) משולבים לרשתות הידרוגל כדי לחקות את המבנה fibrillar של cartilage ECM. אלה ניתן להתאים לאדריכלות zone.
  • (FLT:0)Self-assembling hydrogels:FLT:1 רצף קצר peptide טופס β-sheet ננו מבנים באמצעות אינטראקציות לא שוות ערך.אלה ניתן לתכנן לכלול מוטיבים ביואקטיביים (למשל, RGD, GFO) אשר מקדם דבקות תאים ובדלנות.
  • (FLT:0)Nanocomposite hydrogels:veFLT:1) שילוב של חלקיקים (nanoclays, צינורות פחמן, הידרוקסיפטייט, או תחמוצת גרפן) לרשתות פולימרים משפר כוח מכני, מוליכות חשמלית או ביואקטיביות.
  • (FLT:0Microgels מבוסס הידרוגל: ibph:1 ; ננודור מיקרוגל (אבני בניין אננוגל) ניתן לאסוף לתוך פיגומים גדולים יותר, המציעים אי-יציבות ושליטה מודולרית על נוקשות והשפלה.
  • (FLT:0Crosslinked ננוגל רשתות:BuildFLT:1 ; Polymer ננוגלים עם קבוצות תגובתיות יכול להיות מקושר באופן שווה ליצירת הידרוג הידרול מקרוסקופי עם תכונות ננומטריות טבועות.

שיטות ייצור

מגוון של טכניקות ייצור מאפשרות שליטה מדויקת על nanostructure. אלקטרוספינינג מייצרת ננופיברות רציף שניתן לאסוף כתאים או אקראיים ולאחר מכן מחובר או מוטבע ב הידרוג '. self-assembly מסתמכ על הכרה מולקולרית ותרמודינמיקה כדי ליצור מבנים מוגדרים היטב (nanofibers, ננוtubes, או ננובטונים) הדפסה 3D כולל שני תיבות אורמדומים (cogicialation) בקירות צלוליגל.

היתרונות של nanostructured hydrogels עבור תיקון קרטלאז

התכונות הייחודיות של הידרוגלס nanostructured לטפל רבות של המגבלות של פיגומים מסורתיים.

Biomimicry of Native ECM Topography

הטופוגרפיה הננומטרית של הידרוג'לים אלה - כולל סיבים, היערכות וגודל pore -mimics הסביבה הפיזית כי chondrocytes ניסיון vivo. לדוגמה, צ'ונדרוציטים גדל על ננופיברווס (עם סיבים של 50-500 nm) מקדם את הביטוי של סוג II קולגן ו aggrertarre, בעוד מיקרו-Franus ספוגה הוא נוטה לדגום קריטי כדי לגרום הפיגום קריטי.

הגדלת תאי אדהוק והפצת

משטחים ממובנים מספקים צפיפות גבוהה של אתרי Integrin-binding (למשל, arginine-glycine-aspartic acids (RGD) בשל שטח משטח מוגבר. hydrogels ניתן לתפקוד עם מוטיבים דבקים ספציפיים בדנות מבוקרות, שיפור chondrocyteing.

← שקיפות מכנית כדי להתאים את Native Cartilage

Native articular cartilage יש מודולוס דחוס החל מ 0.5 MPa באזור השטחי ליותר מ 10 MPa באזור העמוק. nanostructured hydrogels יכול להיות נועד לשכפל ערכים אלה על ידי התאמת צפיפות crosslink, שילוב ננוטיפים נוקשים, או יצירת ארכיטקטורות כפול-רשת. לדוגמה, הוספת ננוקלים או siacts חלקיקים יכולים להבטיח תאים מכניים באופן משמעותי.

החלפת Degradation ו- Matrix

ניתן להנדס את ההשפלה של הידרוליזה, cleavage אנזים, או pH-או מנגנונים רגישים לטמפרטורה.על ידי שליטה בקצב ההשפלה, הגרף נעלם בהדרגה כמו ECM חדש מופקד, משאיר מאחור רקמת Native בלבד. שילוב רצפי peptide בשפע על ידי ממטריקס מתכתלופרוטנאפצים (MMPs) מאפשר מודל מתואם, מחקה מחזור טבעי.

משלוח פולשני

הידרוגלים רבים ממובנים ניתן לנסח כבשרים בלתי ניתנים לזרק אשר צולבים בסיטקום (למשל, באמצעות photoinitiation, Michael תוספת, או לחץ על כימיה) זה מאפשר משלוח Arthroscopic למלא פגמים מעוצבים באופן בלתי סדיר עם טראומה כירורגית מינימלית. in situ ג'לציה גם מקל שילוב עם טיפול סביב, צמצום הסיכון של דלמנטום.

משלוח Bioactive Cargo

תכולת המים הגבוהה ופודוזיות הננומטרית מאפשרת capsulation של גורמי צמיחה (למשל, TGF-β1, BMP-2, IGF-1), ציטוקין, או חומצות גרעין.שחרור מבוקר מן nanostructure יכול לקיים ריכוזים טיפוליים במשך שבועות או חודשים, קידום chondroesis ו matrix synsis.comites יכול לספק מאגרים נוספים, לדוגמה, כגון בקרת ספירת זמן.

הנדסת מבנה

ל-Articular cartilage יש אזורים נפרדים עם אוריינטציה סיבים קולגן שונה, צפיפות תאים ונכסים מכניים. nanostructured hydrogels ניתן למרקם עם ⁇ s - למשל, ננופיברים תואמים באזור העמוק וסיבים אקראיים באזור השטח השטח השטחי - כדי לייצר פיגומים דונמיים zonal כי תמיכה טובה יותר התחדשות פונקציונלית.

מחקר עדכני וממצאים קליניים

מחקרים vivo הוכיחו את הפוטנציאל של הידרוגלים nanostructured עבור תיקון טרחוס.

תגובה של Vitro Chondrocyte

כאשר צ'ונדרוציטים או תאי גזע mesenchymal (MSCs) מושרשים על hydrogels nanostructured, הם מציגים עוצמה מוגברת, התפשטות, וביטוי כנווגניים בהשוואה לפקדים שאינם מבנים. לדוגמה, a self-assembling peptide hydrogel המציג את ה- laminin-derived IKVAVs משפר את deposition של ג's agicated gn-Ricgn-RUSgicated CUSCen-R.

במודלים של בעלי חיים

רודנט, ארנב ומודלים של goat שימשו כדי להעריך תיקון קלחוס. במודל פגם של ארנבת אוסטיאוקצ'נדרל, הידרוגל nanocomposite המכיל nanohydroxyapatite ופוליcaprolactone nanofibers שיפר באופן משמעותי את המראה המקרוסקופי ואת הציון האלקטרוגני שלו לאחר 12 שבועות.ה regenerated הציג מאפיינים דמויי hya-מבנה טוב עם שילוב טוב יותר, לעומת מודלים עמידים עמידים לטווח ארוך (מדומים), לעומת תאים).

אתגרים במודלים הנוכחיים

למרות תוצאות מעודדות, מחקרים רבים מדווחים על חידושים לא שלמים, במיוחד בפגמים גדולים יותר. היווצרות פיברוקלאז', דלמינציה פיגומה, וכוח מכני לא מספיק נשאר נושאים.מודלים בבעלי חיים יש גם הבדלים מהותיים בעומס משותף ועובי פחמימות בהשוואה לבני אדם, מה שהופך את התרגום לא ברור. Standardization של אמצעי תוצאה (היסטולוגיה, הביומכניקה, הדמיה) הוא צורך להשוות גישות שונות.

מערכות חומר מפתח בפירוט

כמה שיעורים של הידרוג'ל ממונו נחקרו באופן נרחב.

Self-Assembling Peptide hydrogels (SAPH)

הטופס באמצעות אינטראקציות ionic או hydrophobic, הניב ננופיברות של 10-20 nm קוטר.הם יכולים להיות פונקציונליים עם אפיטופים ביואקטיביים (למשל, RGD, TGF-β רצף מחייב β) דוגמה בולטת היא KLD-12 (השפעת AcN-KlindLCN-CNH2), אשר יוצרת β-fisheets ו-NTM לשימוש ב-Kericialervtom) כדי לשפר את רמות ה-Kuffericials.

Nanofiber-Reinforced hydrogels

אלקטרוספגון ננופיבר (למשל, פוליפטרון, חומצה פולית (חומצה פולית-co-glycolic), או ג'לטין) מוטבעים במריצה הידרוג'ל (אלג'ינאטה, חומצה היאלורונית, או methacrylated ג'לטין) גישה זו משלבת את הקשב של סיבים עם יכולת הידרוג'ל למלא פגמים.

Nanocomposite hydrogels עם חלקיקים Inorganic

שילוב ננוקליות (למשל, Laponite), צינורות פחמן, או ננו-סימטיקה יכול לשפר באופן דרמטי את התכונות המכאניות ולהציג את אוסטאו-המוליכים. Laponite, סיליקט סינתטי, יכול לשחרר מושגים (Si, Mg, Li) אשר מעוררים את chongenesis ו deposition מינרליים. A מחקר על ידי Gahar al. (2013) Laponite השתמש Ngcomgicite עם גלאוקומה שונה.

כיוונים עתידיים ותרגום קליני

בעוד הידרוגלים nanostructured התקדמו באופן משמעותי, כמה מהמכשולים נשארים לפני אימוץ קליני נרחב.

ייצור סקאלה וחדשנות

ייצור של ננו-מבנים ספוגים חייב להיות יעיל וניתן להעלות אותו בקנה מידה קליני. אלקטרוספינינג יכול להיות בקנה מידה באמצעות מערכות מרובות-ג'ט, אבל שליטה על אחידות ננופיבר והיערכות נותרה מאתגרת. eptides הערכה עצמית דורש סינתזזה יקרה וטיהור; מאמצים הם מתקדמים לייעל ולצמצם את העלויות.

אינטגרציה עם Host Tissue

שילוב ללא ים של השפע עם cartilage Native ו- subchondral העצם הוא קריטי.אינטגרציה ירודה מובילה לכישלון מכני ו ingth של רקמת fibrous.אסטרטגיות כוללות פונקציונליזציה של פני השטח הנפוחים עם אנזימים (למשל, קולגאז) כי לעכל את המריצה המקומית במהלך ג'לציה, המאפשרת אינטרוגנציה נוספת.

יציבות לטווח ארוך ולבוש התנגדות

טיפול אמנותי חייב לעמוד מיליוני מחזורי טעינה לאורך כל החיים.רוב הידרוג'לס דהווג או לאבד יושרה מכנית לאורך זמן תחת דחיסה מחזורית. Reinforcement עם סיבים פגומים או קישורי קוהור דינמי המאפשרים לחיוב עצמי יכול לשפר את ההתנגדות לעייפות.במחקר vivo צריך להיות מורחב עד 12 חודשים או יותר כדי להעריך.

מטופלים-סקרניים וזונאליות Scaffolds

ההתקדמות ב 3D bioprinting עם רזולוציה nanoscale מאפשרת הפיגמומים ספציפיים לחולה כי להתאים את הגיאומטריה פגם ואת תכונות מכניות zonal.שלב הדפסה ביולוגית עם דיוקים nanostructured (למשל, המכיל nanofibrillated cellulose או hyaluronic חומצה ננוגלי) יכול לייצר מבנים קליניים רלוונטיים באמצעות 3D-D מודפסים עבור תיקונים הראו, אך עדיין לא לשלב.

שילוב עם תאים וביוטכנולוגיה

למרות כמה גישות מסתמכות על פיגומים סלולריים שמגייסים תאים אנדוגניים, רואים עם chondrocytes או MSCs סביר כי פגמים גדולים.Nanostructured hydrogels יכול להיות נועד לתמוך encapsulation תאים במהלך ג'לציה.comg., tGF-β3, BMP-7) באופן מבוקר מרחבי (gic , gengic) עשוי לשפר את גורמי גדילה (geneal) ⁇ .

מסקנה: הדרך קדימה עבור Nanostructured hydrogels תיקון קרטליג

ננודורות הידרוג'ל מבנים פלטפורמה מבטיחה מאוד לחקות את ה- ECM הילידים וקידום התחדשות רקמות פונקציונליות. על ידי הנדסה ב nanoscale הביולוגית הרלוונטית, החוקרים יכולים לשלוט בסימנים טופוגרפיים, מכניים וביוכימיים ששולטים בהתנהגות chondrocytes בעתיד, תוך כדי שיפור רב-תחומי ומחקרי vivotorial מדגיש את יכולתם לתמוך chongenesis, שמירה על תפקודים, phenics, וטכניקות לטווח ארוך, לחץ על תפקודים, ושילוב של מחלות מכניות, וטכנולוגיות, תוך זמן קצר.

מקורות נוספים (בתרגום חופשי:0)

  • (ב) ,0) חומרים: הידרוג'ל עבור הנדסת רקמות
  • (FLT:0Current Advance in cartilageרקמות הנדסה (Biomaterials, 2020) אנדרט 1
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (בלטינית:0) ,Frontiers in Bioengineering: Nanocomposite hydrogels for cartilage תיקון FLT 1