Comprendere Electrospinning

La soluzione elettrospitale e altamente controllabile di fabbricazione della fibra che è diventata una pietra angolare di ingegneria del tessuto, in particolare per la creazione di ponteggi che imitano l'architettura nanofibrosa della matrice extracellulare nativo (ECM). Nel contesto della riparazione della cartilagine, i ponteggi elettrosponistici applicati offrono una piattaforma promettente per supportare la funzione di condrocito, la deposizione della matrice guida e infine ripristinare la funzione articolare.

A differenza delle tecniche tradizionali di fabbricazione di ponteggi, come la leaching del sale, la schiuma del gas, o la colata del solvente, che producono pori nelle decine a centinaia di micrometri ma non hanno la topografia della fibra continua, l'elettrospinning genera una fitta rete di fibre che ricapitolano l'incontro di concititi fisici di cellule di avascolare con un tipo di collagene

Oltre alla mimica strutturale, l'elettrospinning offre la possibilità di incorporare molecole bioattive direttamente in fibre, o mescolandole con la soluzione polimerica, attraverso spinneret coassiali (fibre core-shell), o tramite la funzionalità post-spinning. Questa versatilità rende l'elettrospinning una piattaforma attraente per fornire fattori di crescita, citochine, o farmaci in modo controllato e sostenuto, una caratteristica che è particolarmente preziosa per la rigenerazione cartilagine.

Materiali utilizzati in Cartilage-micking Scaffolds

La scelta dei polimeri è forse la decisione più critica nell'elettrospinning per l'ingegneria cartilagine. I materiali devono essere biocompatibili, biodegradabili ad un ritmo che corrisponde alla formazione neo-problema, lavorabili tramite elettrospinning, e in grado di supportare i fenotipi condrogeni. Entrambi i polimeri naturali e sintetici sono stati esplorati, spesso in miscele per combinare proprietà desiderabili.

Polimeri sintetici

  • Policaprolactone (PCL): PCL è un poliestere semicristallina, biodegradabile con un tasso di degrado lento (2-4 anni in vivo), eccellenti proprietà meccaniche e approvazione della FDA per molti dispositivi medici. Il suo basso punto di fusione (~60 °C) e la solubilità nei solventi organici comuni (ad esempio, cloromi di policloroponte
  • Poly(lactic-]co]-acido glicolico) (PLGA): PLGA è un copolimero di acidi lattici e glicolici il cui tasso di degrado può essere personalizzato dal rapporto monomero.
  • Poly(acido lattico) (PLA) e poli (acido glicolico) (PGA): PLA (soprattutto l'isomero L, PLLA) e PGA sono stati anche elettrospolverizzato per applicazioni di cartilagine.

Polimeri naturali

  • Gelatin:] Gelatin è derivato dal collagene e conserva molti motivi leganti alle cellule (ad esempio sequenze RGD). È idrosolubile, biodegradabile e relativamente poco costoso. Gelatin può essere elettrospun da soluzioni acquose o sistemi co-solventi, ma la sua scarsa resistenza meccanica e l'alta solubilità spesso
  • Collagen tipo I e II: Il collagene è la principale proteina ECM nella cartilagine (tipo II) ed è un materiale impalcabile ideale per la sua bioattività naturale, la biocompatibilità e la debole immunogenicità.
  • Chitosan:] Il chitosano è un polisaccaride cationico derivato dalla chitina, con somiglianza strutturale con i GAG trovati nella cartilagine ECM. È biodegradabile, non tossico, e ha proprietà antimicrobiche. Le soluzioni chitosano sono elettrospinibili da soluzioni acetiche acquose, ma la sua elevata polivalenza viscolettante e la fenterminabilità
  • 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 usuallyI carrelli di tipo biologico (ad esempio, PL, gelatina) o i materiali chimici (ad esempio, metacrilazione) permettono di collegare il diametro incrociato e la formazione delle fibre.

    Tecniche di elettrospiazione

    La configurazione di base elettrospinning è stata affinata in diverse varianti, ognuna delle quali offre vantaggi unici per l'ingegneria delle impalcature di cartilagine.

    Soluzione Elettromante

    Il polimero è dissolto in un solvente organico volatile (o in un sistema basato sull'acqua per i polimeri naturali) per formare una soluzione con una viscosità ottimale, conduttività e tensione superficiale.

    Melt Electrospinning

    La diffusione di Melt elettrospinning utilizza un polimero si scioglie invece di una soluzione, eliminando la necessità di solventi organici ed evitando problemi di tossicità. Questo metodo è particolarmente attraente per polimeri come PCL e PLA che hanno punti di fusione ben definiti.

    Elettromanazione coassiale

    L'elettrospitazione coassiale impiega una combinazione concentrica di doppio-needle: un ago interno porta una soluzione di base (spesso contenente fattori di crescita, farmaci, o un polimero di supporto meccanico) mentre un ago esterno porta una soluzione di polimero di shell. L'alta tensione causa entrambe le soluzioni da espellere simultaneamente, formando una fibra di guscio-saccoglie che incorpora il materiale di base.

    Elettromanazione multi-jet e senza aghi

    I sistemi multijet che utilizzano aghi multipli o un tamburo rotante con più spinnerets possono aumentare i tassi di produzione. L'elettrospinto senza ago, in cui un elettrodo (ad esempio, un filo rotante o un cilindro) raccoglie la soluzione polimerica da un bagno e inizia a produrre ordini di grandezza multipla contemporaneamente.

    Collezionisti di fibre allineate

    Le fibre casuali producono proprietà meccaniche isotropiche e promuovono l'orientamento della cellula in tutte le direzioni, mentre le fibre allineate inducono la guida di contatto e le proprietà meccaniche anisotropiche — importanti per mimare l'organizzazione zonale di cartilagine articolare, dove le fibre di collagene nella zona superficiale sono orientate parallelamente alla superficie articolare, nella zona centrale sono casuali e nella zona profonda sono percosse

    Progettazione di cartilage-micking Scaffolds

    La costruzione di un ponteggio elettrospun per cartilagine richiede un equilibrio di proprietà strutturali, meccaniche e biologiche. Il ponteggio deve sostenere la diffusione della cella, mantenere una morfologia rotonda (tipica dei condrociti), promuovere la deposizione ECM e resistere ai carichi meccanici dal movimento articolare.

    Proprietà meccaniche

    Cartilagine artificiale è un materiale viscoelastico con un modulo di compressione di 0,5-2 MPa e un modulo di trazione di 5-15 MPa. I ponteggi elettrospun hanno tipicamente un modulo di compressione inferiore (0.05–0.5 MPa) a causa della loro elevata porosità e del diametro di piccola fibra, ma possono essere rafforzati aumentando il diametro della fibra, riducendo la poderosità, o fondendo con i rigidi rigidi rigidi della cellulosa.

    Porosità e dimensioni del poro

    L'alta porosità (> 80%) è necessaria per la diffusione dei nutrienti e la rimozione dei rifiuti in un tessuto avascolare come la cartilagine. Tuttavia, i macrospun hanno spesso piccoli pori (un paio di micrometri) a causa della densa imballaggio delle fibre, che possono impedire l'infiltrazione delle cellule.

    Tasso di degrado

    Il ponteggio deve degradarsi ad un tasso che corrisponde alla nuova deposizione ECM – in genere più di diversi mesi per la riparazione della cartilagine. I polimeri veloci degradanti come PGA (settimane a mesi) possono perdere l'integrità meccanica prima che venga prodotta una matrice sufficiente.

    Funzionalità di superficie

    Per migliorare la bioattività, le fibre di elettrospun possono essere rivestite con proteine ECM (collagen, fibronectin, laminin) o caricate con fattori di crescita. L'immobilizzazione di TGF-β1 o proteina morfogenetica ossea-2 (BMP-2) sulla superficie della fibra è stata dimostrata per migliorare la condrogenesi delle cellule staminali mesenchymali (MSC).

    Applicazioni e Ricerche Correnti

    I nanofibratori elettrospeti sono stati studiati per in vitro sistemi di modellazione del collagene, in vivo riparazione di difetti osteocondriferi nei modelli animali, e studi clinici di fase iniziale in vitro

    Gli studi in vivo in coniglio, capra e modelli di pecore hanno mostrato risultati promettenti. Ad esempio, i trucioli elettrospeti PCL/chitosani impiantati in difetti di osteocondiglio del ginocchio hanno promosso la riparazione di fibrocartilage con una migliore integrazione rispetto ai controlli non trattati.

    Oltre alla riparazione basata su ponteggi, le fibre elettrospun vengono utilizzate nella somministrazione di farmaci per il controllo dell'infiammazione (ad esempio, incorporando farmaci anti-infiammatori come il diclofenac) e come membrane barriera rigenerazione del tessuto guidato o per la lubrificazione congiunta (le stuoie di acido ialuronico elettrosofano).

    Sfide e direzioni future

    Nonostante i grandi progressi, diverse sfide rimangono prima che le impalcature di cartilagine elettrospun diventino un'opzione clinica standard.

    Infiltrazione cellulare

    La limitata dimensione pora di tappeti elettrospun—spesso sotto i 20 μm—ristrizza la migrazione cellulare all'interno del ponteggio, portando ad un cerchio di cellule sulla superficie e un nucleo necrotico. Mentre tecniche come la leaching del sale, la filatura criogenica, e la stampa 3D ibrida / elettrospinning hanno migliorato l'infiltrazione, raggiungendo la distribuzione uniforme delle cellule durante i poffolds spessi (>2 mm) futuri bioa

    Vascularizzazione e Anisotropia

    Le cartilage sono avascolari, quindi le impalcature non richiedono l'increspatura del vaso sanguigno. Tuttavia, per i difetti osteocondiani (che coinvolgono sia la cartilagine che l'osso), la porzione ossea subchondral deve subire vascolarizzazione.

    Scala e sterilizzazione

    L'elettrospinning è sensibile alle condizioni ambientali (umidità, temperatura), la variabilità dei polimeri e l'intasamento degli aghi. I sistemi aghi e multijet sono stati raffinati, ma le questioni di uniformità persistono. I metodi di sterilizzazione (ossido di etilene, irradiazione gamma, e-beam) non devono degradare la sterilizzazione dei solventi impalcanti o residui; la biocompatibilità emergente è

    Stabilità e integrazione a lungo termine

    Dopo l'impianto, il ponteggio deve degradarsi nel tempo mentre il nuovo tessuto lo sostituisce. Tuttavia, i sottoprodotti di degradazione (ad esempio, l'acido lattico di PLGA) possono abbassare il pH locale, potenzialmente causando infiammazione o calcificazione. Il controllo della degradazione attraverso la progettazione dei polimeri e l'utilizzo dei sali di base per l'acidità del buffer sono strategie sotto indagine.

    Le direzioni future

    Le tecnologie avanzate di elettrospiazione come l'elettrospiazione vicino al campo (NFES) permettono la scrittura diretta di fibre con precisione del micrometro, consentendo alle forme di ponteggio specifiche del paziente che corrispondono alla geometria del difetto di cartilagine (ottenute da MRI o TAC scansioni).

    Per ulteriori informazioni, consultare le recensioni recenti sull'elettrospinning per l'ingegneria dei tessuti cartilagine ([]]]), l'elettrospiazione coassiale per la distribuzione dei fattori di crescita (]Materiale biomedica]), e il ruolo dell'allineamento delle fibre nella cronologia ( Acta Biomaterial[