Compreender a Eletroespinning

A Eletrosticing é uma técnica de fabricação de fibras versátil e altamente controlável que se tornou uma pedra angular da engenharia de tecidos, particularmente para a criação de andaimes que imitam a arquitetura nanofibrosa da matriz extracelular nativa (ECM). No contexto da reparação de cartilagem, os andaimes electrospun oferecem uma plataforma promissora para suportar a função de condrocito, guiar a deposição da matriz e, em última análise, restaurar a função conjunta. O processo baseia-se fundamentalmente em um campo elétrico de alta tensão (normalmente 10-30 kV) aplicado entre um spinneret condutor e um coletor. Quando a força elétrica supera a tensão superficial de uma solução polimérica ou fusão, um jato carregado é ejetado, sofre instabilidade de chicoteamento devido à repulsão eletrostática e se estende em fibras contínuas com diâmetros que vão de nanômetros a alguns micrômetros. O solvente evapora durante o voo (em solução de eletrospinning) ou o solidifica (em eletrospinning de fusão), deixando fibras orientadas ou alinhadas aleatoriamente no coletor. Este método permite uma sintonia precisa, reprodutível de diâmetro de fibra, alinhamento, eletros e

Ao contrário das técnicas tradicionais de fabricação de andaimes, como lixiviação de sal, espuma de gás ou fundição de solvente, que produzem poros nas dezenas a centenas de micrômetros, mas não possuem topografia de fibra contínua, a eletroespinning gera uma rede densa de fibras que recapitulam as pistas físicas que os condrócitos encontram in vivo. A cartilagem em si é um tecido denso, avascular com uma ECM altamente organizada dominada por fibras de colágeno tipo II (50–200 nm de diâmetro) entrelaçadas com agregados proteoglicanos. Os andaimes de elétrons podem aproximar esta estrutura hierárquica, fornecendo suporte mecânico e orientação biológica para a ligação, proliferação e diferenciação celular. Além disso, a alta relação superfície-área-volume de andaimes de nanofibra aumenta a adsorção de proteínas de meios de cultura ou do ambiente biológico, promovendo sinalização celular mediada por integrina.

Além da mimetismo estrutural, a eletroespinning oferece a capacidade de incorporar moléculas bioativas diretamente nas fibras, seja através da mistura com a solução polimérica, através de spinnerets coaxiais (fibras de conchas-core), ou através da funcionalização pós-espinning. Esta versatilidade torna a eletrospinning uma plataforma atraente para fornecer fatores de crescimento, citocinas ou drogas de forma controlada e sustentada – uma característica que é especialmente valiosa para regeneração de cartilagem, onde a inflamação e degeneração são frequentemente comorbidas. O restante deste artigo examinará os materiais comumente usados, as principais técnicas de eletroespinning, considerações de design de andaimes, aplicações atuais e os desafios que permanecem antes da tradução clínica tornar-se rotina.

Materiais Usados em Andaimes para Cartilagem-mimicking

A escolha de polímeros é talvez a decisão mais crítica na eletro-espiação para engenharia de cartilagem. Os materiais devem ser biocompatíveis, biodegradáveis a uma taxa de formação de neotecidos, processáveis através de eletro-espiamento e capazes de suportar fenótipos condrogênicos. Tanto os polímeros naturais quanto os sintéticos têm sido explorados, muitas vezes em misturas para combinar propriedades desejáveis. Abaixo está uma discussão detalhada dos materiais mais comumente usados.

Polímeros sintéticos

  • Polycaprolactona (PCL): PCL é um poliéster semi-cristalino, biodegradável com uma taxa de degradação lenta (2-4 anos in vivo), excelentes propriedades mecânicas e aprovação do FDA para muitos dispositivos médicos. Seu ponto de fusão baixo (~60 °C) e solubilidade em solventes orgânicos comuns (por exemplo, diclorometano, clorofórmio) facilitam a eletroespina. No entanto, PCL é hidrofóbico e carece de motivos de adesão celular, por isso é muitas vezes misturado com polímeros naturais ou modificado pela superfície (por exemplo, tratamento de plasma, revestimento de colágeno) para melhorar a fixação e propagação de condrocócitos.
  • Poly(latic-]co-ácido glicolólico (PLGA): PLGA é um copolímero de ácidos lácticos e glicolíticos cuja taxa de degradação pode ser adaptada pela razão monómero. Fibras degradam-se via hidrólise, produzindo subprodutos ácidos que são geralmente bem tolerados. Os andaimes PLGA têm demonstrado apoiar a proliferação de condrocócitos e a síntese de ECM. Como PCL, PLGA é hidrofóbica e pode exigir a mistura com materiais hidrofílicos ou fatores de crescimento para aumentar a bioatividade.
  • Poly(ácido láctico) (PLA) e poli(ácido glicolítico) (PGA): PLA (especialmente o L isômero, PLLA) e PGA também foram eletrospun para aplicações de cartilagem. PLLA é mais cristalino e degrada lentamente, enquanto PGA degrada rapidamente. Suas propriedades mecânicas (especialmente rigidez) podem influenciar o fenótipo condrocitário; substratos muito rígidos podem promover fibrocartilagem em vez de cartilagem hialina-como. Portanto, misturar com componentes mais suaves ou ajustar o alinhamento de fibras pode melhorar os resultados.

Polímeros naturais

  • Gelelatina: A gelatina é derivada de colágeno e mantém muitos motivos de ligação celular (por exemplo, sequências de RGD). É solúvel em água, biodegradável e relativamente barato. A gelatina pode ser eletroesponja de soluções aquosas ou sistemas de co-solvente, mas a sua fraca resistência mecânica e alta solubilidade em água a temperaturas fisiológicas muitas vezes requerem ligação cruzada (por exemplo, glutaraldeído, genipina, EDC/NHS) para manter a integridade estrutural. Os andaimes de nanofibras de gelatina reticulados têm demonstrado suportar a fixação, proliferação e deposição de glicosaminoglicanos (GAG).
  • Colágeno tipo I e II:] Colágeno é a principal proteína ECM na cartilagem (tipo II) e é um material de andaimes ideal devido à sua bioatividade natural, biocompatibilidade e imunogenicidade fraca. Eletrospinning puro colágeno requer solventes especializados (por exemplo, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol, HFIP) e controle cuidadoso do pH e da força iônica. Crosslinking também é necessário para evitar a dissolução rápida. andaimes de colágeno imitam de perto o ECM nativo e promovem condrogênese, mas seu processamento é mais desafiador e caro do que polímeros sintéticos.
  • Chitosana: A quitosana é um polissacarídeo catiônico derivado da quitina, com semelhança estrutural com GAGs encontrados na cartilagem ECM. É biodegradável, não tóxico e tem propriedades antimicrobianas. As soluções de quitosana são eletroespináveis a partir de soluções aquosas de ácido acético, mas sua alta viscosidade e tendência para formar complexos polieletrolíticos pode dificultar a fiação. A mistura de quitosana com PCL, gelatina ou poli(álcool vinílico) melhora a processabilidade. Os andaimes à base de quitosana promovem a proliferação de condrocócitos e mantêm o fenótipo condrogênico, em parte devido à carga positiva que facilita a ligação de GAGs carregados negativamente.
  • 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 usually Misturados com polímeros transportadores (por exemplo, PCL, gelatina) ou quimicamente modificados (por exemplo, metacrilação) para permitir a ligação cruzada e formação de fibras. Os andaimes contendo HA aumentam a migração de condrócitos e a deposição de ECM, mas requerem um tratamento cuidadoso para evitar a dissolução rápida.[

].Os polímeros sintéticos e naturais são cada vez mais utilizados para combinar a robustez mecânica dos sintéticos com as pistas biológicas dos naturais. As combinações comuns incluem PCL/gelatina, PLGA/colagénio e PCL/chitosana. Essas misturas podem atingir diâmetros de fibras na gama de 200–1000 nm, porosidades >80% e moduli de tração comparáveis à cartilagem nativa (0,5–2 MPa).

Técnicas de Eletroespinning

A configuração básica de eletrospinning foi refinado em várias variantes, cada um oferecendo vantagens únicas para a engenharia de andaimes de cartilagem.

Solução Eletrospinning

Este é o método mais utilizado. O polímero é dissolvido em um solvente orgânico volátil (ou um sistema à base de água para polímeros naturais) para formar uma solução com viscosidade, condutividade e tensão superficial ótima. Parâmetros como vazão (0,5-5 mL/h), tensão aplicada (10-25 kV), distância agulha-a-coletor (10-20 cm) e condições ambientais (temperatura, umidade) devem ser otimizados para cada sistema de polímero-solvente. Solução a eletrólise pode produzir fibras contínuas com diâmetros tão pequenos quanto dezenas de nanômetros. No entanto, o uso de solventes orgânicos (por exemplo, HFIP, clorofórmio, DMF) levanta preocupações sobre a toxicidade residual, exigindo secagem a vácuo ou pós-tratamento para remover os solventes de vestígios antes da semeadura celular. Além disso, a evaporação volátil de solventes pode criar uma morfologia superficial porosa que aumenta ainda mais a área de superfície - um benefício para a adesão celular, mas uma fonte potencial de fraqueza mecânica se os poros se tornarem interconexão.

Eletrosticção de fusão

O derretimento eletroespinning usa um polímero derretido em vez de uma solução, eliminando a necessidade de solventes orgânicos e evitando problemas de toxicidade. Este método é particularmente atraente para polímeros como PCL e PLA que têm pontos de fusão bem definidos. O derretimento eletroespinning produz tipicamente diâmetros de fibra maiores (normalmente > 1 μm) em comparação com a eletroespinning de solução, porque a viscosidade do derretimento é maior e o jato não sofre o mesmo grau de instabilidade de chicoteamento. No entanto, o derretimento eletroespinning oferece vantagens para a produção em escala (sem recuperação de solventes necessários) e para a criação de andaimes mais grossos e mecanicamente robustos. Avanços recentes na escrita de eletroespinning de fusão (MEW) permitem a escrita direta de fibras em um padrão controlado, permitindo a fabricação de andaimpeditos ordenados com geometria definida de poros, uma característica que é altamente desejável para a engenharia de tecidos cartilagens para facilitar a difusão de nutrientes e infiltração celular.

Eletrosticção coaxial

A electro- fixação coaxial utiliza uma configuração concêntrica de agulha dupla: uma agulha interna carrega uma solução de núcleo (que contém factores de crescimento, drogas ou um polímero de suporte mecânico) enquanto uma agulha externa carrega uma solução de polímero de concha. A alta tensão faz com que ambas as soluções sejam ejectadas simultaneamente, formando uma fibra de núcleo- casca que encapsula o material de núcleo. Na engenharia de cartilagem, a electro- fixação coaxial foi usada para encapsular o factor de crescimento transformador- β1 (TGF- β1) ou o factor de crescimento semelhante à insulina- 1 (IGF- 1) dentro de uma camada PCL ou PLGA, permitindo uma libertação prolongada durante dias a semana. Esta técnica reduz a libertação inicial de ruptura em comparação com uma simples mistura e protege as moléculas bioactivas da desnaturação durante a fixação electro. As fibras de núcleo- casca também podem ser concebidas para ter um núcleo mecânico rígido (p. ex., PCL) e uma camada mais suave, bioactiva (p. ex., gelatina ou colagénio), imitando a estrutura composta de ECM nativa.

Eletrospinning multijet e sem agulhas

A eletroespiação de agulha única tradicional tem baixa potência (em .0.1-1 mL/h), limitando seu uso para fabricação de andaimes em grande escala. Sistemas multijet usando múltiplas agulhas ou um tambor rotativo com múltiplas spinnerets podem aumentar as taxas de produção. Eletroespinning sem agulhas, em que um eletrodo (por exemplo, um fio rotativo ou cilindro) capta solução de polímero de um banho e inicia vários jatos simultaneamente, pode alcançar ordens de potência de magnitude superior. Embora esses métodos produzam diâmetros de fibra menos uniformes do que a fiação de agulha única, eles estão sendo pesquisados para produção de andaimes de cartilagem em escala comercial. Para reparação de cartilagem, onde os defeitos são muitas vezes pequenos (1-5 cm2) e específicos do paciente, a produtividade pode não ser um fator limitante, mas para futuros produtos fora da prateleira, a escalabilidade se tornará essencial.

Coletores de Fibra Alinhados

A orientação das fibras eletroespum afeta significativamente o comportamento celular. Fibras aleatórias produzem propriedades mecânicas isotrópicas e promovem a disseminação celular em todas as direções, enquanto fibras alinhadas induzem a orientação de contato e propriedades mecânicas anisotrópicas - importantes para mimetizar a organização zonal da cartilagem articular, onde fibras de colágeno na zona superficial são orientadas paralelas à superfície articular, na zona média são aleatórias, e na zona profunda são perpendiculares ao osso subcondral. Para produzir fibras alinhadas, colecionadores podem ser projetados como tambores de rotação rápida (até vários milhares de rpm), matrizes de eletrodos paralelos, ou discos rotativos. Os corócitos cultivados em fibras alinhadas mostram aumento da expressão do colágeno tipo II e do gene agrecan em comparação com as fibras aleatórias, e o andaimes resultante pode suportar maiores cargas de tração ao longo da direção da fibra. Para defeitos de cartilagem de espessura total, andaimes multicamadas com diferentes orientações de fibra em cada zona estão sendo explorados para reproduzir a a a anisotropia nativa.

Design Cartilagem-mimicking Andaimes

A concepção de um andaime electrospun para cartilagem requer um equilíbrio de propriedades estruturais, mecânicas e biológicas. O andaime deve suportar a propagação celular, manter uma morfologia redonda (típica de condrócitos), promover a deposição de ECM, e resistir às cargas mecânicas do movimento articular. Principais parâmetros de projeto incluem diâmetro de fibra, alinhamento, porosidade, tamanho de poros, taxa de degradação e química de superfície.

Propriedades Mecânicas

Cartilagem articular é um material viscoelástico com módulo de compressão de 0,5-2 MPa e um módulo de tração de 5-15 MPa. Os andaimes eletroespun tipicamente possuem um módulo de compressão inferior (0,05-0,5 MPa) devido à sua alta porosidade e diâmetro de fibra pequena, mas podem ser reforçados por aumento do diâmetro de fibra, redução da porosidade, ou mistura com polímeros mais rígidos (por exemplo, adição de celulose nanocristalina ou hidroxiapatita). Para cartilagem, um andaim ideal deve ser rígido o suficiente para suportar o carregamento articular, mas não tão rígido que impeça a remodelação da matriz mediada por células.

Tamanho da Porosidade e Poro

A alta porosidade (>80%) é necessária para a difusão de nutrientes e remoção de resíduos em um tecido avascular como cartilagem. No entanto, andaimes eletroespun muitas vezes têm pequenos poros (alguns micrômetros) devido à densa embalagem de fibras, que pode impedir a infiltração celular. Várias estratégias foram desenvolvidas para aumentar o tamanho dos poros: incorporar fibras de sacrifício (por exemplo, PEO solúvel em água que pode ser lixiviado), eletrospinning criogênico (coletando fibras em um mandril frio para formar cristais de gelo que criam macroporos), ou combinar a eletrólise com lixiviação de partículas. Tamanhos de poros na faixa de 100-300 μm são considerados ótimos para o crescimento de condrocyte. A eficiência de semeadura celular pode ser melhorada por métodos dinâmicos de semeadura (poros, centrifugação ou agitador orbital) ou criando arquiteturas macroporosas usando impressão 3D combinada com eletrospimentação.

Taxa de degradação

O andaime deve degradar-se a uma taxa que corresponda à nova deposição de ECM – tipicamente ao longo de vários meses para a reparação de cartilagem. Polímeros de degradação rápida como PGA (semanas a meses) podem perder a integridade mecânica antes de produzir matriz suficiente. Polímeros de degradação lenta como PCL (anos) podem persistir muito tempo, dificultando a integração completa. Misturas e copolímeros (por exemplo, PLGA com relação de monômeros sob medida) também podem permitir o ajuste fino da cinética de degradação. Links cruzados degradados por enzimas (por exemplo, peptídeos sensíveis à metaloproteinase da matriz) também podem ser incorporados para tornar a degradação sensível à célula.

Funcionalização da superfície

Para melhorar a bioatividade, as fibras eletroespun podem ser revestidas com proteínas ECM (colagénio, fibronectina, laminina) ou carregadas com fatores de crescimento. A imobilização de TGF-β1 ou proteína 2 morfogenética óssea (BMP-2) na superfície da fibra tem demonstrado aumentar a condrogênese das células-tronco mesenquimais (CTMs). Além disso, incorporar peptídeos adesivos (RGD, YIGSR) pode promover a fixação de condroócitos sem os riscos associados com proteínas derivadas de animais.

Aplicações e Pesquisa Atual

Os andaimes de nanofibras de eletrospun foram investigados in vitro ] em sistemas de cartilagens, in vivo] reparação de defeitos osteocondrais em modelos animais, e ensaios clínicos em fase inicial. in vitro[, estudos de condrócitos humanos foram semeados em andaimes de PCL/gelatina eletrospun e mantiveram fenótipo condrogênico por até 28 dias, com o aumento do GAG e do teor de colágeno tipo II. Fibras coaxiais libertando TGF-β1 têm demonstrado induzir diferenciação de MSCs humanos em células semelhantes a condrocócitos sem necessidade de suplementação de fator de crescimento externo.

In vivo] estudos em modelos de coelhos, cabras e ovinos têm mostrado resultados promissores.Por exemplo, os andaimes eletrospun PCL/chitosana implantados em defeitos osteocondrais do joelho de coelho promoveram a reparação de fibrocartilagem com melhor integração do que os controles não tratados.Em um modelo de cabra, andaimes bicamadas combinando uma camada de eletrospun PLGA (lado da cartilagem) com um substituto microporoso do enxerto ósseo (lado ósseo) alcançado quase-completo em 6 meses. Alguns estudos piloto humanos têm usado andaimes eletrospun colágeno ou PLGA para reparação de cartilagem em combinação com condrócitos autólogos ou MSCs, com melhoras nos escores de dor e função.No entanto, ainda faltam estudos controlados randomizados e de longo prazo.

Além da reparação baseada em andaimes, fibras eletroespun são usadas na entrega de medicamentos para o controle da inflamação (por exemplo, incorporando anti-inflamatórios como diclofenac) e como membranas de barreira guiada regeneração tecidual ou para lubrificação articular (mats de ácido hialurônico eletrospun).

Desafios e orientações futuras

Apesar do tremendo progresso, vários desafios permanecem antes de os andaimes de cartilagem eletroesponjoso se tornarem uma opção clínica padrão.

Infiltração de células

O tamanho limitado de poros de esteiras de eletroespun — muitas vezes abaixo de 20 μm — restringe a migração celular para o interior do andaime, levando a uma borda de células na superfície e um núcleo necrótico. Enquanto técnicas como lixiviação de sal, fiação criogênica e impressão 3D híbrida / eletrospinning melhoraram a infiltração, alcançar uma distribuição uniforme de células em andaimes grossos (>2 mm) permanece difícil. Futuro trabalho pode se concentrar em sistemas de cultura dinâmica (biorreatores de perfusão) para melhorar o transporte de nutrientes e na criação de andaimes com porosidade graduada que direciona colonização celular.

Vascularização e Anisotropia

A cartilagem é avascular, portanto os andaimes não requerem crescimento de vasos sanguíneos. No entanto, para defeitos osteocondrais (envolvendo tanto cartilagem quanto osso), a porção óssea subcondral deve ser submetida a vascularização. Os andaimes eletroespúns para construções de bicamadas ou gradientes precisam ser projetados com tamanhos de poros e fatores de crescimento (por exemplo, VEGF para o lado ósseo) que suportam tanto a condrogênese quanto a osteogênese. Além disso, imitar a estrutura zonal da cartilagem (zonas superficiais, médias, profundas) com diferentes orientações de fibras e composições bioquímicas é um foco de pesquisa atual: alguns grupos estão usando a eletrospinning para produzir esteiras em camadas ou modelos impressos 3D que guiam a deposição de fibras.

Escala e esterilização

A mudança da escala de laboratório para a produção industrial, mantendo a qualidade e a reprodutibilidade, é um grande desafio de engenharia. A eletroespiação é sensível às condições ambientais (umidade, temperatura), variabilidade de lote de polímeros e entupimento de agulha. Sistemas sem agulhas e multijet estão sendo refinados, mas persistem problemas de uniformidade. Os métodos de esterilização (óxido de etileno, irradiação gama, feixe eletrônico) não devem degradar o andaime ou solventes residuais; a esterilização supercrítica de CO2 está emergindo como uma alternativa suave. A aprovação regulamentar requer demonstração de biocompatibilidade, consistência mecânica e reprodutibilidade de lote a lote.

Estabilidade e integração a longo prazo

Após a implantação, o andaime deve degradar-se ao longo do tempo, enquanto o novo tecido o substitui. No entanto, subprodutos de degradação (por exemplo, ácido láctico de PLGA) pode diminuir o pH local, causando inflamação ou calcificação. Controlar a degradação através do design de polímeros e usando sais básicos para a acidez tampão são estratégias em investigação. A integração com cartilagem do hospedeiro - um problema notoriamente difícil - é reforçada através da formação de uma interface perfeita através de revestimentos de ligação cruzada ou bioadesivos in situ.

Instruções futuras

Tecnologias avançadas de eletroespiação, como a eletroespiação de campo próximo (NFES) permitem a escrita direta de fibras com precisão micrômetro, permitindo formas de scaffold específicas do paciente que correspondem à geometria de um defeito de cartilagem (obtida por ressonância magnética ou tomografia computadorizada). Sistemas híbridos que combinam a eletroespinning com bioimpressão 3D podem produzir andaimes com hierarquias de micro e macroescala: uma estrutura impressa em 3D proporciona integridade estrutural e poros grandes, enquanto nanofibras eletroespun preenchem os interstícios para fornecer topografia de estrutura celular. andaimes inteligentes incorporando polímeros condutores (por exemplo, polianilina) para estimulação elétrica – que promove diferenciação condrogênica – e eletrônica biodegradável para monitoramento em tempo real da maturação tecidual são possibilidades futuras. Ensaios clínicos com andaimes de cartilagem eletroespun são antecipados para expandir nos próximos cinco anos, particularmente para pequenos defeitos focais em pacientes jovens. Com contínua inovação e controle de processo, eletrospinning desempenharão um papel fundamental na próxima geração de terapias de regeneração de cartilagem.

Para mais informações, consulte recentes revisões sobre eletroespinning para engenharia de tecidos de cartilagem (PubMed link, eletroespinning coaxial para a entrega de fatores de crescimento ( Materiais Biomédicos), e o papel do alinhamento de fibras na condrogênese (Acta Biomaterialia[]).