Инновации в изготовлении каркасов с использованием электроспиннинга для ремонта хряща

Хрящевые травмы от травм или дегенеративных заболеваний, таких как остеоартрит, представляют собой серьезную клиническую проблему, поскольку хрящ имеет ограниченную внутреннюю способность к заживлению. Тканевая инженерия возникла как многообещающая стратегия восстановления функции, а каркас является критическим компонентом, который обеспечивает временную поддерживающую среду для прикрепления клеток, пролиферации и осаждения матрицы. Среди различных методов изготовления электроспиннинг получил особое внимание за его способность производить волокнистые каркасы, которые близко имитируют наноразмерную архитектуру естественного внеклеточного матрикса (ECM). В этой статье рассматриваются инновации в изготовлении каркаса с использованием электроспиннинга для восстановления хряща, охватывающие основы, недавние достижения и будущие направления.

Понимание электроспиннинга в тканевой инженерии

Электроспиннинг — это универсальный и масштабируемый метод, использующий электрическое поле для рисования полимерных растворов или плавления в ультратонкие волокна диаметром от нескольких нанометров до микрометров. Базовая установка включает шприцевой насос, высоковольтный источник питания, иглу или шпиннер и заземленный коллектор. При подаче высокого напряжения полимерная капля на кончике иглы становится заряженной, образуя конус Тейлора. Как только электростатические силы преодолевают поверхностное натяжение раствора, тонкая струя выбрасывается. Растворитель испаряется во время путешествия струи, а затвердевшие волокна осаждаются на коллекторе в качестве нетканого коврика.

Ключевые параметры процесса включают приложенное напряжение, скорость потока, расстояние коллектора, концентрацию полимера и проводимость раствора. Эти параметры непосредственно влияют на морфологию волокна, распределение диаметра, выравнивание и пористость - свойства, которые необходимы для руководства поведением клеток и формированием тканей при восстановлении хряща. Например, выровненные волокна могут имитировать анизотропную структуру определенных областей хряща, в то время как случайные волокна предлагают изотропную поддержку инфильтрации клеток.

Роль электрозакрученных лесов в регенерации хряща

Суставной хрящ — высокоспециализированная ткань со сложной зональной архитектурой: поверхностная зона имеет коллагеновые волокна, параллельные поверхности; средняя зона содержит случайно ориентированные волокна; а глубокая зона имеет волокна, перпендикулярные подхондральной кости.Кроме того, ECM-композиция изменяется с глубиной, влияя на механические и биохимические свойства.Электроспиннинг позволяет воссоздать эти зональные структуры с помощью таких методов, как многослойное осаждение, методы двойного коллектора и соэлектроспиннинг различных материалов.Эмулируя нативную ECM, электроспуновые каркасы обеспечивают топографические и биохимические сигналы, которые способствуют поддержанию фенотипа хондроцитов и новому синтезу матрицы.

Ключевые преимущества электрозависимых каркасов для ремонта хряща

Популярность электроспиннинга в технике хрящевой ткани обусловлена несколькими явными преимуществами по сравнению с обычными методами изготовления каркасов, такими как литье растворителей, сушка под заморозкой и вспенивание газа.

Эти преимущества были продемонстрированы в многочисленных доклинических исследованиях. Например, электроспуновые каркасы PCL, засеянные мезенхимальными стволовыми клетками (МСК), показали улучшенный ремонт хряща в моделях кроликов с улучшенным гиалиновым образованием хряща и интеграцией с тканью хозяина.

Последние инновации в электроспиннинговых технологиях для ремонта хряща

В то время как обычный электроспиннинг производит случайные волоконные коврики, последние инновации расширили возможности технологии, позволив изготовить более сложные каркасы, которые лучше соответствуют структурной и биологической сложности нативного хряща.

Композитные и гибридные каркасы

Для преодоления ограничений однополимерных каркасов, таких как недостаточная механическая прочность или отсутствие биоактивности, исследователи разработали композитные электроспуновые маты. Эти гибриды объединяют два или более материала, часто включая биоактивную керамику или наночастицы. Например, включение гидроксиапатита (HA) или биоактивного стекла в полимерные волокна улучшает сжимающую жесткость и поддерживает минерализацию, что полезно для восстановления остеохондрального интерфейса. Аналогичным образом, смешивание синтетических полимеров с природными компонентами ECM (например, коллаген, гиалуроновая кислота или хондроитинсульфат) усиливает адгезию клеток и хондрогенез. Исследование, опубликованное в Acta Biomaterialia , показало, что гиалуроновые волокна, трансплантированные PCL, способствуют более сильному осаждению гликозаминогликан (GAG) хондроцит

Многослойные и градиентные каркасы

Суставной хрящ не однороден; он имеет различные зоны с различными механическими свойствами, ориентацией коллагена и содержанием протеогликанов. Для репликации этой иерархии исследователи разработали многослойные каркасы с помощью последовательного электроспиннинга или путем объединения электроспиннинга с другими методами изготовления. Например, трехслойный каркас может иметь случайный слой волокна для средней зоны, выровненные волокна для поверхностной зоны и более плотный слой или микропористую структуру для глубокой зоны. Совместное электроспинирование двух или более полимерных растворов одновременно позволяет создавать смеси с зональными градиентами в композиции. Недавнее исследование в В журнале тканевой инженерии и регенеративной медицины использовало вращающийся сборщик нити для получения каркасов с градиентным поперечным выравниванием, имитируя глубинно-зависимый шаблон ориентации коллагена.

Коаксиальный и эмульсионный электроспиннинг

Коаксиальный электроспиннинг использует две концентрические иглы для получения волокон ядра-оболочки. Ядро может содержать лекарственное средство или фактор роста, в то время как оболочка обеспечивает механическую стабильность и контроль деградации. Этот метод позволяет инкапсулировать нежные биоактивные молекулы, не подвергая их воздействию жестких органических растворителей. Для восстановления хряща, трансформируя фактор роста-β1 (TGF-β1) или инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) можно инкапсулировать в ядре для устойчивого высвобождения, усиливая хондрогенную дифференцировку посевных стволовых клеток. Эмульсионное электроспиннинг является более простой альтернативой, которая создает аналогичную структуру ядра-оболочки путем эмульгирования водной фазы (содержащей биоактивный агент) в полимерный раствор. Оба метода показали перспективу в поддержании биоактивности и достижении профилей длительного высвобождения.

Электрошпиннинг с 3D-печатными гибридами

В то время как электроспиннинг производит тонкие волокна, он обычно дает тонкие коврики (микрометры до нескольких миллиметров). Для ремонта крупных хрящевых дефектов необходимы более толстые, более пористые каркасы. Для комбинирования электроспиннинга с 3D-печатью (расплавление электрописьма) позволяет изготавливать иерархические структуры: 3D-печатная структура из расплава обеспечивает макропористость и структурную целостность, в то время как электроспунированные нановолокна заполняют интерстики для обеспечения клеточно-инструктивных поверхностей. Исследование в Продвинутые материалы здравоохранения показало, что такие гибридные каркасы улучшают инфильтрацию клеток и образование хрящевой ткани в модели остеохондрального дефекта кролика по сравнению с электроспунами.

Стволовые клетки - нагруженные электрошоковые леса

Электрошоковые каркасы могут служить носителями для стволовых клеток, либо путем посева клеток после изготовления, либо путем их включения во время электрошпиннинга (например, с использованием клеточного электрошпиннинга). Последний подход, известный как биоэлектрошпиннинг, позволяет создавать волокна, нагруженные клетками, хотя он требует тщательного контроля напряжения и потока для поддержания жизнеспособности. Чаще всего МСК засеиваются на электрошоковые маты и индуцируются в направлении хондрогенной линии. Шаблоны, функционализированные с помощью специфических пептидов (например, RGD, коллагенсвязывающие пептиды) или факторы роста могут направлять судьбу стволовых клеток без растворимых индуктивных факторов. В недавней работе также изучалось использование децеллюляризированных материалов ECM-производных в качестве электрошпиннинговых субстратов, обеспечивая нативную биохимическую среду, которая запускает МСК для хондрогенеза.

Применение в конкретных контекстах ремонта хряща

Электрошоковые каркасы исследуются на различные типы хрящевых дефектов, включая суставной хрящ, мениск и остеохондральные поражения.

Ремонт суставных хрящевых

Для очаговых хондральных дефектов электроспуновые каркасы могут быть имплантированы в виде бесклеточных или клеточно-сеянных конструкций. В модели кролика электроспун PCL/гелатиновые каркасы, засеянные аутологичными хондроцитами, способствовали заживлению дефектов полной толщины гиалиновой тканью через 12 недель. В более крупной модели животных (овец) электроспуновые коллагеновые каркасы, загруженные BMP-7, улучшили качество восстановительной ткани через 6 месяцев, с лучшей интеграцией, чем необработанные контрольные органы. Клинические испытания на людях по-прежнему ограничены, но пилотные исследования с использованием электроспун коллаген-гиалуроновой кислоты мембраны для восстановления хряща показали безопасность и потенциальную эффективность в небольших когортах пациентов.

Ремонт мениска

Мениск представляет собой фиброкартилагинозную структуру со сложной, окружно выровненной коллагеновой сетью. Электроспиннинг может производить выровненные волоконные каркасы, имитирующие менискальную архитектуру. Исследования in vitro с использованием выровненных волокон PLGA показали, что менискные фиброхондроциты выравниваются вдоль направления волокна и осаждения, ориентированного на ECM. Модели животных с менискальной травмой продемонстрировали, что электроспуновые каркасы PCL, засеянные с МСК, могут способствовать регенерации и предотвращению дегенерации суставов. Недавние инновации включают создание трубчатых каркасов путем электроспиннинга на вращающуюся нижнюю челюсть, которые могут использоваться в качестве заменителей мениска, и включение антибактериальных агентов для снижения риска инфекции.

Остеохондральный ремонт

Остеохондральные дефекты включают как хрящевую, так и субхондральную кость. Для этого применения идеально подходят двуслойные или градиентные каркасы. Электроспиннинг позволяет изготавливать композитный каркас с нановолокнистым хрящевым слоем и более пористым, жестким слоем кости. Например, двухслойный каркас, состоящий из электроспунтового слоя PCL-коллагена для хряща и 3D-печатного слоя трикальциевого фосфата для кости, показал перспективность в остеохондральных дефектах кролика. Электроспуновый слой направляет хондрогенез, в то время как костный слой поддерживает остеоинтеграцию и врастание кровеносных сосудов.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на значительный прогресс, остаются некоторые препятствия, прежде чем электроотвержденные каркасы станут обычными клиническими инструментами для восстановления хряща.

Механические свойства

Натуральный хрящ подвергается сжимающим, сдвигающим и растягивающим нагрузкам. Электрозакрученные каркасы часто не имеют сжимающей жесткости хряща, особенно при влажности, из-за их высокой пористости. Стратегии повышения механических характеристик включают сшивание волоконных сетей (химически или с помощью тепла), усиление нанонаполнителями (нанотрубками, наноцеллюлозой) или проектирование архитектур сцепленных волокон. Однако добавление большего количества материала или увеличение диаметра волокна может уменьшить пористость и инфильтрацию клеток, поэтому должен быть достигнут баланс.

Инфильтрация клеток и однородное семя

Небольшой размер пор электроспун-матов (обычно 1-10 мкм) ограничивает проникновение клеток, заставляя клетки оставаться на поверхности. Это приводит к неоднородному образованию тканей. Последние подходы к улучшению инфильтрации включают использование жертвенных волокон (например, электроспиннинг полиэтиленоксида или желатина, которые могут быть выщелачены), криогенный электроспиннинг для создания иерархической пористости и включение микросфер в качестве спейсеров. Расплав электрописьм, который производит более крупные волокна (50-200 мкм) с четко определенными порами, является еще одним перспективным решением, которое часто сочетается с электроспиннингом.

Долгосрочная интеграция и деградация

Полимеры, такие как PCL, должны разрушаться со скоростью, соответствующей новому осаждению ткани. Если деградация происходит слишком быстро, каркас теряет поддержку до созревания ткани; если слишком медленно, он может ингибировать ремоделирование тканей и вызывать хроническое воспаление. Кроме того, побочные продукты деградации должны быть нетоксичными и легко очищаться. Полимеры, такие как PCL, медленно разрушаются (2-4 года), в то время как PLGA ухудшается быстрее (недели до месяцев). Смешивание полимеров с различными показателями деградации может производить настраиваемые профили. Кроме того, включение антиоксидантных или противовоспалительных молекул может смягчить реакцию инородного тела и улучшить долгосрочные результаты.

Регулирующие и производственные соображения

Перевод на клиническое использование требует воспроизводимого производства в соответствии с надлежащей производственной практикой (GMP). Электроспиннинг чувствителен к условиям окружающей среды (влажность, температура) и масштабирование без флуктуаций качества является сложной задачей. Для решения этой проблемы разрабатываются системы с несколькими насадками и автоматизированный мониторинг. С нормативной точки зрения электроспун-каркасы, предназначенные для восстановления хряща, классифицируются как медицинские устройства или комбинированные продукты (если они содержат лекарства, клетки или факторы роста). Четкие руководящие принципы для доклинического тестирования, включая механическую характеристику, биосовместимость и оценку in vivo в соответствующих моделях животных, все еще развиваются.

Умные и отзывчивые материалы

Будущие направления направлены на создание «умных» каркасов, которые реагируют на физиологические сигналы. Например, каркасы, содержащие ферменты (например, матричные металлопротеиназы-расщепляемые сшиватели), могут быть реконструированы путем вторжения клеток. Температурные или рН-чувствительные полимеры могут высвобождать факторы роста в воспаленных участках. Еще одним захватывающим рубежом является включение проводящих наноматериалов для облегчения электрической стимуляции, которая, как было показано, усиливает пролиферацию хондроцитов и синтез матриц. Пока еще на ранней стадии исследований эти интеллектуальные материалы обещают динамические, специфические для пациента методы лечения.

Заключение

Электроспиннинг стал краеугольной технологией для изготовления каркасов в карточно-тканевой инженерии. Его способность создавать нановолоконные сети, которые воспроизводят нативную ECM, в сочетании с достижениями в композитных материалах, многослойных структурах и контролируемом высвобождении, приблизила нас к клинически жизнеспособным решениям по восстановлению хряща. Однако проблемы, связанные с механической прочностью, инфильтрацией клеток, долгосрочной интеграцией и масштабируемостью, должны быть преодолены. Интеграция электроспиннинга с аддитивным производством, терапией стволовыми клетками и интеллектуальными биоматериалами указывает на будущее, где индивидуальные, готовые каркасы могут эффективно восстанавливать функцию хряща и улучшать результаты пациентов. По мере продолжения исследований междисциплинарное сотрудничество между учеными-материаловеды, биологи, инженеры и клиницисты будут иметь важное значение для перевода этих инноваций со скамейки на кровать.