La cartilagine dei tessuti cerca di rigenerare la cartilagine articolare danneggiata, una sfida clinica persistente dovuta alla limitata capacità di guarigione intrinseca della cartilagine. Mentre i fattori biochimici come i fattori di crescita e il carico meccanico sono stati ampiamente studiati, il microambiente fisico fornito da ponteggi svolge un ruolo altrettanto decisivo.

Comprendere la Topografia di Scaffold

La topografia di Scaffold comprende una gamma di caratteristiche superficiali, tra cui scanalature, creste, pori, fibre e modelli di dimensioni variabili. Queste caratteristiche non sono solo cosmetici; presentano segni fisici che le cellule percepiscono attraverso percorsi di mechanotransduction.

La cartilage nativo matrice extracellulare è una rete complessa e gerarchicamente organizzata di collagene tipo II fibre, proteoglycans e altre macromolecole. Cartilagine sana mostra un'organizzazione zonale con allineamento e densità di fibra distinti. Topografia affaffold che ricrea queste nuance strutturali può guidare i condrociti ad adottare fenotipi appropriati e produrre tessuti funzionali.

La comprensione della topografia impalcatura richiede anche considerazione della chimica superficiale e della rigidità, in quanto questi fattori si interagiscono con la topografia per modulare il comportamento cellulare. Tuttavia, la topografia stessa può dominare la risposta, soprattutto quando le cellule sono colturate su superfici con modelli definiti.

Effetti sul comportamento del condrocyte

Gli effetti della topografia impalcata su condrociti possono essere suddivisi in diversi aspetti intercorrelati: attaccamento, proliferazione, morfologia, migrazione, differenziazione e sintesi matrice.

Allegamento e Proliferazione delle cellule

L'adesione iniziale delle cellule a un ponteggio è mediata da recettori di integrina che si legano a leganti adesivi sulla superficie. Le caratteristiche topografiche alla nanoscala aumentano l'area di superficie disponibile per la presentazione del legante e possono raggruppare integri, migliorando la formazione di adesione focale.

Le strutture porose con pori interconnessi nell'intervallo 100-400 μm sono note per facilitare la diffusione di nutrienti e ossigeno, che sostiene l'alta attività metabolica e divisione cellulare. Tuttavia, i pori estremamente piccoli (meno di 10 μm) possono limitare il movimento cellulare e portare alla quiscenza.

Morfologia cellulare e Orientamento

La condrociti in cartilagine nativo sono rotonde o poligonali, in particolare nelle zone medio-pilustre. Tuttavia, quando coltivati su superfici bidimensionali piane, spesso dedifferenti in forma fibroblasta-come. La topografia di scaffold può aiutare a mantenere o ripristinare il fenotipo di colocia.

L'orientamento delle cellule è fondamentale per le proprietà meccaniche anisotropiche della cartilagine. Nella zona superficiale, le fibre di collagene sono parallele alla superficie articolare, fornendo resistenza alle cesoie. I frammenti con fibre allineate o scanalature con con concociti diretti e le loro fibre di collagene depositate lungo quell'asse, creando un costrutto meccanico anisotropico. Questo livello di organizzazione è difficile da raggiungere con le repliche isotropiche per il rapporto nativo

Differenziazione condrogena

La topografia di MSC può influenzare la differenziazione delle cellule progenitorie, come le cellule staminali mesenchymal (MSC), verso la linea di condrogeno. Questo è particolarmente importante nell'ingegneria dei tessuti in cui i MSC sono seminati su impalcature con l'obiettivo di formare la cartilagine.

Le superfici micropatterizzate con specifiche dimensioni scanalate possono anche mimare la fase di condensazione dello sviluppo embrionale degli arti, dove le cellule subiscono cambiamenti di forma discreti che regolano i marcatori condrogeni.

Meccanismi della differenziazione tramite Topografia

Come fa la differenziazione della topografia? La risposta è in mechanotransduction. Le cellule percepiscono caratteristiche fisiche attraverso le aderenze focali e l'actin cytoskeleton, che trasmettono le forze al nucleo attraverso le proteine del legante. Questa connettività meccanica può alterare la struttura della cromatina e l'espressione del gene senza cue solubili.

Inoltre, la topografia modula la disponibilità di fattori di crescita. Alcuni modelli possono sequestrare BMP o TGF-β dal mezzo di cultura, presentandoli in modo definito nello spazio che migliora la segnalazione. Questa sinergia tra fisici e biochimici è un'area promettente per il futuro design delle impalcature.

Tipi di caratteristiche topografiche in Scaffolds

Gli scaffaloni possono essere fabbricati con una varietà di caratteristiche topografiche, ognuna con effetti distinti sui condrociti. La scelta del metodo di fabbricazione - elettrospinning, stampa 3D, fotolitografia, etching, o auto-assembly - determina la scala e la precisione delle caratteristiche.

Grooves e Ridges

Le scanalature e le creste di micron-scale sono tra le caratteristiche topografiche più studiate. Induceno la guida di contatto, allineando le cellule e depositato ECM lungo la direzione della scanalatura. Le larghezze di scanalatura di 20–50 μm e le profondità di 5–10 μm sono tipiche della cultura del condrocito.

Pores e Porosità

I pori di porolagine possono essere onnipresenti nell'ingegneria dei tessuti cartilagine, perché consentono l'infiltrazione cellulare e il trasporto di sostanze nutritive. Le dimensioni dei pori, la forma e l'interconnessione influiscono drasticamente sul comportamento cellulare. I pori di 100–300 μm sono generalmente considerati ottimali per la semina di condrociti e la produzione di ECM.

Fibre e Nanofibers

I nanofibra elettrosiliani sono ampiamente utilizzati per imitare la natura fibrosa del collagene nella cartilagine ECM. Diametro fibra, allineamento e rugosità superficiale tutta influenzano la risposta del condrocito.

Pits, Pillars, e Nanoprotrusions

Le ponteggi opali inversa con pori sferici interconnessi rappresentano un diverso paradigma topografico. Queste strutture hanno una topologia molto regolare con dimensioni uniformi di pori. Allo stesso modo, le superfici decorate con nanopillari (altezza 10–100 nm) possono indurre la deformazione della membrana cellulare e l'internalizzazione, che interessano la segnalazione.

Topografie ordinate contro il casuale

La distinzione tra topografie casuali e ordinate è importante. Topografie casuali, come tappeti elettrospun con entanglement fibra, offrono una vasta gamma di segnali topografici che possono ospitare diversi tipi di cellule, ma possono mancare la precisione di dirigere comportamenti specifici.

In Vitro e in Vivo Studi di Influenza Topografia

L'impatto della topografia di ponteggi è stato studiato sia nella cultura di laboratorio che nei modelli animali. Negli studi di vitro permettono un controllo preciso sui parametri topografici e l'osservazione diretta delle risposte cellulari. Ad esempio, uno studio con policaprolactone (PCL) ponteggi con microgroove (larghezza 20 μm, profondità 10 μm) semi con coriduttori di colata bovina trovati che costrutti coltivati in fibra allinea

Gli studi in vivo, anche se meno comuni, confermano l'importanza della topografia per l'integrazione e la formazione dei tessuti. L'impianto sottocutaneo di truffe microfabricate in topi nudi ha dimostrato che le superfici scanalate hanno promosso la formazione di neocartilage organizzato con una migliore interazione con le cellule ospitanti. In un modello di difetto di coniglio osteochondral, i ponteggi con nanofibri alline alline alline hanno portato a un gruppo di livello superiore di integrazione di tessuto e di integrazione rispetto a 12 settimane.

Un esempio notevole è il lavoro di Steele et al. (2017)[, che ha impiantato le impalcature PCL stampate 3D con microgroove in difetti del ginocchio del coniglio. Hanno riferito che le impalcature scanalate hanno sostenuto la formazione di fasci di collagene organizzati e una migliore capacità di carico-sordini rispetto a scaffalature lisce.

Implicazioni cliniche e traduzione

L'obiettivo finale di comprendere la topografia impalcatura è quello di tradurre queste intuizioni in terapie clinicamente efficaci. I prodotti clinici attuali per la riparazione della cartilagine, come l'impianto di condrocito autologo indotto a matrice (MACI), utilizzano le impalcature di collagene con le topografie naturali. Tuttavia, questi ponteggi sono spesso limitati da proprietà meccaniche deboli e variabilità batch-batch.

Una sfida clinica chiave è garantire che le caratteristiche topografiche persistono dopo l'impianto e durante la degradazione. I polimeri biodegradabili come l'acido poli (acido lattico-co-glicolico) (PLGA) o il policaprolattone (PCL) possono mantenere caratteristiche superficiali per settimane a mesi, ma l'erosione clinica può lisciare i modelli di nanoscalatura.

Inoltre, le topografie del ponteggio specifiche del paziente potrebbero essere progettate in base ai dati di imaging. Utilizzando le scansioni MRI o microCT, l'architettura zonale naturale della cartilagine di un paziente potrebbe essere replicata in un ponteggio attraverso la stampa 3D con risoluzione del submicrometro. Questo livello di personalizzazione richiederebbe progressi nella tecnologia di fabbricazione ma mantiene grande promessa.

Ottimizzazione della Topografia di Scaffold: un problema multiparametro

La progettazione di una topografia impalcabile non è semplicemente una questione di scegliere una singola caratteristica; comporta il bilanciamento di più parametri: tipo di caratteristica, dimensione, distribuzione e proprietà meccaniche. Inoltre, la topografia interagisce con altre proprietà di impalcatura come la chimica, la rigidità e il tasso di degrado.

Le piattaforme di screening ad alta velocità sono ora utilizzate per testare contemporaneamente centinaia di varianti topografiche: queste piattaforme, spesso basate su substrati microarrayed, permettono di identificare rapidamente le topografie che meglio promuovono l'attacco di condrocito, la proliferazione o il fenotipo.

Inoltre, le proprietà meccaniche del materiale ponteggio stesso sono intrecciate con topografia. Un idrogel morbido con una superficie microgrossata non può mantenere le scanalature sotto carico di compressione, mentre un polimero rigido come volontà PCL. Pertanto, la scelta del materiale deve corrispondere al design topografico previsto e alle esigenze meccaniche del giunto.

Le direzioni future

La ricerca futura probabilmente si concentrerà sulle topografie dinamiche che possono cambiare nel tempo in risposta all'attività cellulare o agli stimoli esterni. Ad esempio, i polimeri a forma di memoria potrebbero alterare il loro modello di superficie sull'esposizione alla temperatura della zona del corpo o un campo applicato, le cellule guida attraverso diverse fasi di riparazione. Un'altra direzione promettente è l'integrazione di gradienti di transizione topografiche varia, dove le caratteristiche di zona di fenomeno

Sono in corso di esplorazioni multiscala che combinano la rugosità della nanoscala con i pori di microscala e la forma macroscala. Queste ponteggi gerarchici imitano l'ECM naturale più da vicino delle ponteggi su scala singola.

In sintesi, la topografia delle scaffalature è un parametro fondamentale nell'ingegneria dei tessuti della cartilagine, influenzando direttamente l'attaccamento dei condrociti, la proliferazione, l'orientamento, la differenziazione e l'organizzazione della matrice.