Интеграция выбора материалов и механических свойств для долговечных тканевых лесов

Разработка прочных тканевых каркасов представляет собой одну из самых важных задач в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Успех этих каркасов зависит от сложной интеграции отбора материала и механических свойств, которые работают в гармонии для поддержки роста тканей, выдерживают физиологические нагрузки и в конечном итоге способствуют регенерации функциональной ткани. Тканевая инженерия - это междисциплинарная область, которая объединяет материалы, методы и биологические молекулы для разработки вновь сформированных тканей для замены или восстановления функциональных органов. По мере того, как исследователи продолжают продвигать эту область, понимание сложной взаимосвязи между характеристиками материала и механическими характеристиками стало необходимым для создания каркасов, которые могут действительно воспроизводить сложные функции нативной ткани.

Понимание основ инженерных каркасов тканей

Эшафот является базовым материалом, в который встроены клетки и факторы роста для построения замещающей ткани. Эти трехмерные структуры служат временными шаблонами, которые направляют регенерацию тканей, обеспечивая физическую поддержку, облегчая прикрепление и пролиферацию клеток и создавая среду, способствующую развитию тканей. Эшафот должен выполнять несколько функций одновременно: он должен быть биосовместимым, чтобы избежать неблагоприятных иммунных реакций, биоразлагаемым, чтобы позволить естественной ткани заменять его с течением времени, и механически достаточно прочным, чтобы поддерживать структурную целостность на протяжении всего процесса регенерации.

Эшафот действует как шаблон, в котором клетки и факторы роста имплантируются для имитации внеклеточного матрикса для поддержания и восстановления функции ткани. Внеклеточный матрикс (ЭКМ) в нативных тканях обеспечивает не только структурную поддержку, но и биохимические сигналы, регулирующие поведение клеток. ECM обеспечивает структурную поддержку и физическую среду для клеток, находящихся в этой ткани, чтобы прикрепляться, расти, мигрировать и реагировать на сигналы. Поэтому эшафоты тканевой инженерии должны воспроизводить эти многогранные функции для достижения успешной регенерации ткани.

Критические критерии выбора материала для тканевых лесов

Выбор подходящих материалов для тканевых каркасов требует тщательного рассмотрения множества факторов, которые непосредственно влияют на производительность каркасов и результаты регенерации тканей.Процесс выбора материала должен сбалансировать биосовместимость, биоразлагаемость, механические свойства и возможность производства.

Биосовместимость как основа

Независимо от их источников, биоматериалы должны обладать биосовместимостью для предотвращения активации иммунных реакций, стерильностью для обеспечения безопасного включения в ткани-хозяева, биоразлагаемостью для разложения после завершения их предполагаемых целей и биоактивностью для стимуляции желаемых тканевых реакций. Биосовместимость гарантирует, что материал каркаса не вызывает побочных реакций при имплантации в организм, позволяя клеткам естественным образом взаимодействовать с поверхностью каркаса.

Био-материалы являются биосовместимыми, безопасными и не выделяют токсичные соединения во время биодеградации. Эта характеристика делает природные материалы особенно привлекательными для применения в тканевой инженерии, поскольку они минимизируют риск токсичности и воспалительных реакций, которые могут поставить под угрозу регенерацию тканей.

Биоразлагаемость и контролируемая деградация

Биоразлагаемость материалов каркаса играет решающую роль в процессе регенерации тканей. Что касается биоразлагаемости, то деградация должна быть тщательно разработана таким образом, чтобы материалы подвергались деградации в темпе, соответствующем прогрессу образования новой ткани, для обеспечения успешного восстановления ткани. Если каркас деградирует слишком быстро, он может потерять структурную целостность до того, как образуется достаточное количество новой ткани. И наоборот, если деградация слишком медленная, каркас может препятствовать ремоделированию и интеграции ткани.

Скорость деградации должна быть синхронизирована с образованием тканей для поддержания механической поддержки на протяжении всего процесса регенерации. Эта временная координация обеспечивает, чтобы по мере постепенного разрушения каркаса вновь образованная ткань принимала на себя несущие обязанности, создавая плавный переход от искусственной поддержки к естественной функции ткани.

Поверхностные свойства и клеточные взаимодействия

Помимо вышеупомянутых свойств, топография поверхности биоматериалов может также влиять на клеточные процессы, например, пролиферацию клеток, дифференцировку клеток и миграцию клеток.Поверхностные характеристики материалов каркаса существенно влияют на то, как клетки взаимодействуют с каркасом, влияя на прикрепление, распространение и последующие биологические реакции.

Модификации поверхности могут повысить производительность каркаса путем улучшения адгезии клеток и содействия специфическому клеточному поведению. Такие методы, как покрытие биоактивными молекулами, создание специфических топографических особенностей или функционализация поверхностей пептидными последовательностями, могут все повысить биологическую производительность каркаса без необходимости изменения их объемных механических свойств.

Природные полимеры для строительства тканевых лесов

Натуральные полимеры, полученные из биологических источников, обеспечивают присущую биосовместимость и часто содержат места распознавания для адгезии клеток, что делает их привлекательными материалами для применения в тканевой инженерии.

Скаффолд на основе коллагена

Коллаген, самый распространенный структурный белок в тканях животных и человека, является предпочтительным для тканевой инженерии благодаря своей структурной целостности и поддержке.В качестве основного компонента внеклеточного матрикса во многих тканях коллаген обеспечивает естественные последовательности распознавания клеток, которые облегчают прикрепление и миграцию клеток.

Как наиболее распространенный белок внеклеточного матрикса в организме человека, коллаген был популярным биоматериалом для подготовки тканевых инженерных лесов. К сожалению, каркасы только коллагена не обладают адекватными механическими свойствами (модуль, прочность) для обработки in vitro и долгосрочной клеточной культуры. Это ограничение побудило исследователей разработать различные стратегии для повышения механических свойств каркасов на основе коллагена при сохранении их превосходных биологических характеристик.

Гелатин и его производные

Желатин представляет собой белок, полученный из коллагена, который на 100% экологичен in vivo. Желатин предлагает ряд преимуществ, включая отличную биосовместимость, биоразлагаемость и способность образовывать гидрогели. Желатин является жертвенным биоинком, который может использоваться в качестве временной поддержки и обладает выдающейся биосовместимостью, неиммуногенностью и гидрофильными свойствами.

Модифицированные формы желатина, особенно желатинметакрилата (GelMA), получили значительное внимание в тканевой инженерии. Эти модификации позволяют лучше контролировать механические свойства и скорость деградации, сохраняя при этом биологические преимущества исходного материала.

Chitosan для Tissue Engineering

Его высокая степень биосовместимости in vivo делает его очень подходящим для использования в качестве потенциального каркаса. Читозан, полученный из хитина, обнаруженного в экзоскелетах моллюсков, обладает уникальными свойствами, включая антимикробную активность и способность образовывать пористые структуры. Рукава, изготовленные из хитозана, обладают пористостью, которую можно легко контролировать.

Гидрогель хитозана используется в основном в костной, кожной и хрящевой тканевой инженерии.Универсальность хитозана делает его пригодным для различных применений тканевой инженерии, хотя для достижения оптимальных механических свойств для конкретных применений может потребоваться модификация или комбинация с другими материалами.

Алгинат и гиалуроновая кислота

Алгинат, полисахарид, полученный из морских водорослей, обеспечивает отличную биосовместимость и легкость гелеирования посредством ионного сшивания.В то время как альгинат проявляет более низкую адгезию клеток по сравнению с некоторыми другими природными полимерами, он может быть модифицирован или объединен с другими материалами для повышения его биологической эффективности.

Гиалуроновая кислота (ГК) играет неотъемлемую роль в ECM, поддерживая пролиферацию и миграцию клеток. Настраиваемая скорость деградации ГК делает ее особенно ценной для применения на каркасных лесах, поскольку исследователи могут настраивать ее свойства через изменения плотности сшивания и молекулярной массы в соответствии с конкретными требованиями тканевой инженерии.

Синтетические полимеры: контролируемые свойства и версатильность

Синтетические полимеры обладают значительными преимуществами с точки зрения воспроизводимости, контролируемых свойств и способности адаптировать характеристики для конкретных применений.Общепринято считать, что синтетические биоматериалы обладают лучше контролируемыми физическими и механическими свойствами и могут использоваться для адаптации как для мягких, так и для твердых тканей.

Полилактическая кислота (PLA) и ее применение

Пористая PLA, напротив, демонстрирует высокую биосовместимость, но показывает медленные темпы деградации 3-5 лет.Полилактическая кислота представляет собой один из наиболее широко используемых синтетических полимеров в тканевой инженерии благодаря одобрению FDA для различных медицинских применений и предсказуемому поведению деградации.

Таким образом, PLA сочетается с гидроксиапатитом (HAp) для повышения его механической и физической прочности. Эта стратегия комбинации демонстрирует, как синтетические полимеры могут быть усилены за счет композитного образования, устраняя ограничения при сохранении полезных свойств.

Поликапролактон (PCL) для долгосрочных применений

PCL представляет собой полукристаллический, биоразлагаемый и нетоксичный полиэстер, который показывает гидрофобность и медленные темпы деградации более 24 месяцев.Расширенное время деградации PCL делает его особенно подходящим для приложений, требующих долгосрочной механической поддержки, таких как костно-тканевая инженерия.

Эти проблемы могут быть решены путем смешивания с другими полимерами или получения композитов. Гидрофобная природа PCL может ограничивать прикрепление клеток, но эту проблему можно преодолеть путем модификации поверхности, смешивания с гидрофильными полимерами или создания композиционных материалов, которые сочетают механические преимущества PCL с биологическими преимуществами других материалов.

Полигликолевая кислота (PGA) и сополимеры

В последнее время значительное внимание получили биоразлагаемые полимеры, такие как полимолочной кислоты (PLA), полидиоксанона (PDO), поликапролактона (PCL), полигликолевой кислоты (PGA) и поли (лактико-гликолевая кислота) (PLGA). Эти материалы известны своей превосходной биосовместимостью и биорезорбируемостью, что делает их очень подходящими для медицинских применений, таких как имплантаты, коронарные стенты, доставка лекарств, тканевая инженерия и сердечные клапаны.

Сополимеры, такие как PLGA, предлагают преимущество настраиваемых скоростей деградации путем корректировки соотношения молочной кислоты к мономерам гликолевой кислоты. Эта гибкость позволяет исследователям проектировать каркасы с профилями деградации, соответствующими конкретным временным линиям регенерации тканей.

Решение проблем биосовместимости в синтетических материалах

Тем не менее, для синтетических биоматериалов биосовместимость становится основной проблемой, поскольку клетки могут испытывать трудности с прикреплением и ростом на этих материалах.Поэтому для улучшения их биосовместимость разработано множество процессов, модифицирующих свойства поверхности и объёма.

Примеры включают лазерную инженерию поверхности и покрытие природными биоматериалами, такими как коллаген. Эти стратегии модификации позволяют синтетическим полимерам сохранять свои выгодные механические свойства, одновременно улучшая их биологическую производительность за счет усиления взаимодействия клеточных материалов.

Керамические и металлические материалы для инженерии твердых тканей

Для применений, требующих высокой механической прочности, особенно в костной ткани, керамические и металлические материалы предлагают уникальные преимущества.

Биоцерамика и гидроксиапатит

Биокерамика представляет собой органическое, неметаллическое твердое вещество с хорошей совместимостью, биоинертностью, биоактивностью, остеопроводимостью и механической прочностью. Гидроксиапатит, основной минеральный компонент кости, обеспечивает отличную остеопроводимость и может способствовать образованию костей при включении в каркасы.

Кроме того, биокерамика может способствовать новому поколению костей и остеопотенциалу каркасов. Сходство биокерамики с натуральным костным минералом делает их особенно эффективными для применения в костной ткани, хотя их хрупкость может ограничить их использование в несущих приложениях без подкрепления.

Металлические леса: магний и титан

Плотность магния и упругий модуль похожи на человеческие кости, и он постепенно разлагается на ионы магния, которые либо поглощаются, либо выводятся из организма, что делает его отличным биоразлагаемым материалом.Это уникальное сочетание свойств делает магний особенно привлекательным для временных применений поддержки костей.

Исследования показали, что чистые магниевые и магниевые сплавы нецитотоксичны, негенотоксичны и свободны от острой системной токсичности, обладают хорошей биосовместимостью.Биоразлагаемая природа магния устраняет необходимость вторичной хирургии для удаления имплантатов, что представляет собой значительное клиническое преимущество.

Титан, известный своими превосходными механическими свойствами, упругим модулятором и коррозионной стойкостью, также проявляет высокую биосовместимость и постепенно находит клиническое применение.В качестве ортопедического замещающего материала титан и его композиты улучшают интеграцию с окружающей костной тканью, усиливают функцию остеобластов и способствуют регенерации костей.

Механические свойства: соответствие каркаса требованиям ткани

Механические свойства каркасов тканевой инженерии должны быть тщательно разработаны с учетом требований целевой ткани. Внутренние механические свойства биоматериалов, используемых для каркаса, или их постобработки должны соответствовать свойствам ткани-хозяина. Это соответствие имеет решающее значение не только для обеспечения адекватной механической поддержки, но и для влияния на поведение клеток и развитие тканей.

Жесткость и эластичный модуль

В последнее время стало ясно, что жесткость каркаса является весьма мощным регулятором дифференциации стволовых клеток. Жесткость подложки каркаса может направлять судьбу стволовых клеток, причем клетки дифференцируются по линиям, которые соответствуют тканям со схожими механическими свойствами.

Эта механосенсибилизация также была продемонстрирована в дифференциации МСК, когда жесткость агарозного геля определяла бы тенденцию дифференциации. hMSC дифференцировался бы по линиям нейронов, мышц или костей в соответствии с жесткостью, которая приближается к таковым в мозге, мышцах и костных тканях соответственно. Это явление подчеркивает важность соответствия жесткости каркаса типу ткани-мишени.

Тем не менее, для оптимального содействия дифференциации стволовых клеток, современные знания предполагают, что жесткость каркаса должна соответствовать жесткости in vivo рассматриваемой скелетной ткани. Важно подчеркнуть, что каркас, вероятно, должен проявлять жесткость развивающейся скелетной ткани, которая может быть ниже жесткости зрелой ткани.

Сила растяжения и грузоподъемность

Разработка методов прогнозирования прочности и жесткости биоматериалов, используемых в тканевой инженерии, имеет решающее значение для нагрузочных применений, в которых основные функциональные требования являются в первую очередь механическими.Для тканей, испытывающих значительные механические нагрузки, такие как кость, хрящ и сухожилия, каркас должен обеспечивать достаточную прочность для предотвращения сбоев в физиологических условиях нагрузки.

При фокусировке на механических свойствах каркас должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки, которые действуют на скелетную ткань в месте дефекта.Несущая способность должна поддерживаться на протяжении всего процесса регенерации ткани, даже когда каркас деградирует и образуется новая ткань.

Эластичность и деформационное поведение

Кроме того, жесткость важна, поскольку она влияет на штаммы, действующие на клетку, прикрепляясь к каркасу. Упругое поведение каркасов определяет, как механические нагрузки переносятся на клетки, влияя на пути механотрансдукции, которые регулируют поведение клеток.

Ауксетические каркасы могут помочь преодолеть это из-за их эластичности, вызванной дизайном, при повторении отрицательных соотношений Пуассона, наблюдаемых в различных естественных тканях. Передовые конструкции каркасов могут включать в себя конкретные механические поведения, такие как ауксетические свойства, чтобы лучше имитировать сложные механические реакции нативных тканей.

Требования к механическим свойствам для разных типов тканей

Широкий спектр характеристик этих материалов позволяет механически учитывать широкий спектр типов тканей; обзор типичной прочности этих групп материалов по сравнению с жесткостью органических тканей приведен на рисунке 1. Различные ткани проявляют совершенно разные механические свойства, от мягких тканей, таких как жировая ткань и ткань мозга с модулями в килопаскальном диапазоне до твердых тканей, таких как кость с модулями в гигапаскальном диапазоне.

Во-первых, способ, которым характеризуется механическое поведение ткани, варьируется в зависимости от типа ткани. Например, не следует рассматривать конечную прочность ненагруженной ткани, такой как жировая ткань. Однако в кости, где это свойство помогает описать функциональную роль, оно имеет первостепенное значение.

Критическая роль пористости и архитектуры лесов

Архитектура каркаса, в частности пористость и пористая взаимосвязанность, играет решающую роль в определении как механических свойств, так и биологических характеристик.Высокая пористость, пористая взаимосвязанность, биосовместимость, биоразлагаемость и механические свойства являются незаменимыми свойствами, которые должны быть необходимыми идеальными требованиями каркаса, включая биосовместимость, биоразлагаемость, механические свойства, архитектуру каркаса и технологию производства.

Пористость для клеточной инфильтрации и транспортировки питательных веществ

Адекватная пористость необходима для того, чтобы клетки могли проникнуть на эшафот, мигрировать по всей его структуре и создать трехмерную конструкцию ткани. Поры должны быть достаточно большими, чтобы вместить клетки и обеспечить миграцию клеток, но общая пористость должна быть сбалансирована с необходимостью поддержания механической целостности.

Взаимосвязанные поры облегчают диффузию питательных веществ и кислорода в клетки глубоко внутри каркаса, позволяя удалять отходы. Этот транспорт имеет решающее значение для выживания и функционирования клеток, особенно в больших каркасах, где диффузионные расстояния могут стать ограничивающими.

Балансировка пористости и механической силы

Увеличение пористости обычно улучшает биологическую производительность за счет усиления инфильтрации клеток и транспортировки питательных веществ, но обычно снижает механическую прочность. Этот компромисс представляет собой одну из фундаментальных проблем в проектировании каркасов, требуя тщательной оптимизации для достижения адекватной механической поддержки и биологической функциональности.

Это приводит к пористым, взаимосвязанным каркасам. Эта техника особенно полезна для приложений, требующих биосовместимости и высокой пористости, таких как остеопроводящие каркасы для костной ТЭ. Для создания специфических поровых структур, которые оптимизируют этот баланс для конкретных применений, могут использоваться различные методы изготовления.

Оптимизация размера пор для различных приложений

Оптимальный размер пор варьируется в зависимости от целевой ткани и типа клеток. Для костной тканевой инженерии обычно требуются более крупные поры (100-500 микрометров) для размещения остеобластов и обеспечения васкуляризации, в то время как другие ткани могут извлечь выгоду из меньших размеров пор, которые обеспечивают большую площадь поверхности для прикрепления клеток.

Распределение и взаимосвязь пор также влияют на производительность каркаса.Единое распределение пор обеспечивает последовательное посев клеток и образование тканей по всему каркасу, в то время как взаимосвязанные поры создают пути для миграции клеток и сосудистого вспенения.

Композитные материалы: комбинирование преимуществ нескольких материалов

Невозможно достичь некоторых существенных характеристик с использованием одного материала, поэтому объединение двух или более материалов может выполнить требования.Композитные каркасы представляют собой мощную стратегию преодоления ограничений отдельных материалов путем объединения их комплементарных свойств.

Натурально-синтетические полимерные композиты

Кроме того, комбинации биоматериалов также используются для дальнейшего повышения производительности и функциональности каркасов. Комбинирование природных полимеров, которые обеспечивают отличную биосовместимость с синтетическими полимерами, которые обеспечивают превосходные механические свойства, создает каркасы, которые получают выгоду от обоих классов материалов.

Природные полимеры, такие как коллаген, обеспечивают лиганды для связывания клеток, однако механические свойства этих природных полимеров трудно контролировать.Включая синтетические полимеры или другие усиливающие материалы, исследователи могут усиливать механические свойства, сохраняя биологические преимущества природных материалов.

Полимерно-керамические композиты для инженерии костной ткани

Биоразлагаемые полимеры, такие как PLA, PGA и PCL, широко используются в костной тканевой инженерии, часто в сочетании с биоактивными материалами, такими как гидроксиапатит (HA), β-трикальциевый фосфат (β-TCP) и биоактивное стекло (BG). Эти композиты сочетают перерабатываемость и характеристики деградации полимеров с остеопроводимостью и механической прочностью керамики.

Критическим новшеством была их интеграция с гидроксиапатитом (HA) для создания композитов, лучше имитирующих костную композицию. Композиты Poly (цитрат диола) / HA могут включать до ~60-65 мас.% HA - значительно больше, чем системы на основе PLA - благодаря карбоксильным группам хелатирования кальция, присущим цитратной группе.

Нанокомпозитные леса

Включение наноматериалов в матрицы каркасов может значительно улучшить механические свойства и биологические характеристики.Наночастицы, нановолокна и нанотрубки могут усиливать полимерные матрицы, улучшая прочность и жесткость, потенциально обеспечивая дополнительную функциональность, такую как электропроводность или повышенная адсорбция белка.

Включение арамидных нановолокон (АНФ) в гидрогели PEGDA добавляет значительные преимущества благодаря высокой прочности и стабильности АНФ, улучшая механические свойства каркаса и делая его сопоставимым с естественными тканями, такими как сухожилия и связки. АНФ также усиливают поверхностные свойства каркаса, способствуя лучшей адгезии и росту клеток. Кроме того, биосовместимость АНФ гарантирует, что композитный материал не вызывает побочных реакций, в то время как их интеграция в матрицу каркаса дополнительно повышает механическую прочность и биологическую производительность.

Кросс-линковые стратегии для повышения устойчивости

Сшивание представляет собой фундаментальную стратегию улучшения механических свойств и долговечности тканевых инженерных лесов, в частности основанных на натуральных полимерах. В настоящей статье рассматриваются улучшения механических свойств каркасов на основе коллагена с использованием процесса гелирования и сшивающих агентов. Влияние как химических, так и физических методов сшивания на механические свойства каркасов обсуждаются наряду с воздействием влажных и сухих условий испытаний.

Химические методы перекрестного сцепления

Химическое сшивание предполагает создание ковалентных связей между полимерными цепями, значительно повышая механическую прочность и снижая скорость деградации.Можно использовать различные сшивающие агенты, каждый из которых предлагает различные преимущества с точки зрения эффективности сшивания, биосовместимости и воздействия на свойства каркаса.

Глутаральдегид широко используется для перекрестного связывания коллагена и других природных полимеров, хотя опасения по поводу цитотоксичности привели к разработке альтернативных перекрестно связывающих агентов. Генипин, естественно полученный перекрестно связывающий агент, обеспечивает улучшенную биосовместимость, в то же время обеспечивая эффективное перекрестное связывание.

Физические кросс-линковые подходы

Физические методы перекрестного сшивания, такие как дегидротермальная обработка, УФ-облучение и лиофилизация, могут усиливать свойства каркаса без введения потенциально токсичных химических агентов. Эти методы обычно создают более слабые перекрестные связи, чем химические методы, но предлагают преимущества с точки зрения биосовместимости и способности сохранять биоактивные молекулы в каркасе.

Особое внимание фотосшивание получило за его способность создавать каркасы с пространственно управляемыми свойствами и инкапсулировать клетки в процессе сшивания. Такой подход позволяет создавать нагруженные ячейками каркасы с настраиваемыми механическими свойствами.

Оптимизация кросс-линковой плотности

Степень перекрестного сшивания должна тщательно контролироваться для уравновешивания механических свойств с биологическими характеристиками. Чрезмерное сшивание может создавать слишком жесткие каркасы, потенциально подавляя миграцию клеток и ремоделирование тканей. Недостаточное сшивание может привести к слишком быстрому деградации каркасов или недостаточной механической прочности.

Оптимальная плотность сшивания варьируется в зависимости от применения и должна определяться эмпирически для каждой системы каркасов. Такие факторы, как тип целевой ткани, ожидаемые механические нагрузки и желаемая временная шкала деградации, влияют на идеальную стратегию сшивания.

Передовые технологии изготовления для изготовления каркасов

Аддитивное производство (AM), также называемое трехмерной печатью / печатью (3DP), появилось в качестве преобразующего подхода в текущем проектировании и производстве различных биоматериалов для восстановления поврежденных тканей внутри тела. Это продвижение значительно помогло разработке индивидуальных биомедицинских устройств, включая имплантаты, протезы и ортопедии, которые являются специфичными для пациентов. В тканевой инженерии (TE), AM позволяет изготавливать сложные структуры, которые способствуют желательным клеточным реакциям в регенерации тканей.

3D-печать и биопечать

Инженерия костной ткани (BTE) обеспечивает эффективное решение для восстановления путем имплантации остеобластов или стволовых клеток в биосовместимые и биоразлагаемые каркасы для содействия регенерации костей. В последние годы быстрое развитие 3D-биопечати позволило широко применять ее в изготовлении каркасов BTE. На основе трехмерных компьютерных моделей и специализированных «биочернил» эта технология предлагает новые пути для настройки каркасов BTE.

Технологии трехмерной печати позволяют создавать каркасы с точно контролируемой архитектурой, включая размер пор, распределение пор и общую геометрию. Этот уровень контроля позволяет исследователям проектировать каркасы, оптимизированные для конкретных применений, и создавать имплантаты для конкретного пациента на основе данных медицинской визуализации.

В процессе изготовления используется цифровая обработка света (DLP), которая хорошо подходит для создания каркасов с очень подробными и точными конструкциями, важными для точного имитации естественных тканей. Различные технологии 3D-печати предлагают различные преимущества с точки зрения разрешения, скорости печати и совместимости материалов.

Электроспиннинг для фиброзных лесов

Электроспиннинг является широко используемым методом изготовления нановолокнистых каркасов на полимерной основе. Этот метод может производить волокна диаметром от нанометров до микрометров в зависимости от характеристик полимерного раствора. Электрошпиндинговые каркасы могут имитировать волокнистую структуру естественного внеклеточного матрикса, обеспечивая топографические сигналы, которые влияют на поведение клеток.

Диаметр волокна, ориентация и плотность упаковки можно контролировать с помощью параметров электроспиннинга, что позволяет создавать каркасы с индивидуальными свойствами. Выровненные волокна могут направлять ориентацию клеток и организацию тканей, в то время как случайные оптоволоконные структуры создают изотропные каркасы, подходящие для тканей без предпочтительной ориентации.

Замораживание и разделение фазы

При замораживающей сушке полимер растворяется в растворителе и выливается в форму, после чего растворитель замораживается при температурах от −20 °C до −80 °C и затем сублимируется под вакуумом. Это приводит к образованию сильно пористых, взаимосвязанных каркасов. Замораживание создает каркасы с высокой пористостью и взаимосвязанными поровыми структурами, хотя контроль над размером и распределением пор может быть сложным.

Термально индуцированная фазовая сепарация предполагает уменьшение растворимости однородного полимерного раствора, заставляя его разделяться на две фазы. Низкополимерная фаза удаляется, а оставшаяся высокополимерная фаза затвердевает в волокнистую сеть с контролируемой пористостью. Данная методика предлагает альтернативный подход к созданию пористых каркасов со специфическими структурными характеристиками.

Стратегии интеграции: оптимизация отношений материально-механических свойств

Поскольку выбор биоматериалов играет жизненно важную роль в производительности каркасов, а также в клеточных реакциях, тщательный отбор материала имеет важное значение для оптимизации успешной интеграции отбора материала с оптимизацией механических свойств. Эта интеграция требует систематического подхода, который учитывает сложные взаимодействия между композицией материала, методами обработки и результирующими свойствами каркасов.

Вычислительное моделирование и оптимизация дизайна

КАТЕ описывает полный процесс использования методов визуализации для определения границ области имплантата, методов моделирования и/или оптимизации для каркаса, а также методов проектирования с помощью компьютера производства (с или без клеточных компонентов) чаще всего с использованием быстрого прототипирования и методов отрицательного формования.Результаты моделей конечных элементов, участвующих во втором этапе, могут обеспечить приближения к континуумным упругим модулям.

Вычислительные подходы позволяют исследователям прогнозировать механические свойства лесов на основе состава материала и архитектуры до изготовления. Анализ конечных элементов может имитировать, как леса будут реагировать на механические нагрузки, что позволяет оптимизировать параметры конструкции для достижения желаемых механических характеристик.

Функция затрат относительно разницы между эффективным тензором эластичности, рассчитанным методом гомогенизации, и целевым тензором минимизируется с помощью процедуры оптимизации топологии. Обнаружено, что разные жесткости могут приводить к разным результатам ремоделирования.

Механические испытания и характеристики

Полученные критические параметры включают модуль Янга, прочность на растяжение/сжатие и прочность.Насыпные измерения механических свойств дают информацию о способности каркаса противостоять деформации и особенно необходимы для регенерации тканей, где механическая целостность каркаса жизненно важна.

Комплексное механическое тестирование имеет важное значение для характеристики свойств каркаса и проверки прогнозов конструкции. Испытание должно включать соответствующие режимы нагрузки (напряжение, сжатие, сдвига) и должно проводиться в условиях, которые имитируют физиологическую среду, включая соответствующую температуру и гидратацию.

Итеративный дизайн и циклы тестирования

Оптимизация конструкции каркаса обычно требует итеративных циклов проектирования, изготовления, тестирования и уточнения.Первоначальные проекты, основанные на теоретических соображениях и вычислительном моделировании, изготавливаются и тестируются, а результаты сообщают о последующих итерациях проектирования.

Этот итеративный подход позволяет исследователям систематически исследовать пространство проектирования, выявляя оптимальные комбинации материалов, параметров обработки и архитектурных особенностей, которые достигают желаемых механических и биологических характеристик.

Методы модификации поверхности для повышения производительности

Модификации поверхности могут повысить производительность каркаса без необходимости изменения объемных механических свойств, предлагая мощный подход к улучшению биологических характеристик при сохранении желаемых механических характеристик.

Покрытие биоактивными молекулами

Покрытие поверхностей каркаса белками, такими как коллаген, фибронектин или ламинин, может усиливать прикрепление и распространение клеток. Эти покрытия обеспечивают специфические сайты связывания для рецепторов клеточной поверхности, способствуя адгезии клеток и последующим биологическим реакциям.

Факторы роста также могут быть включены в поверхностные покрытия для обеспечения биохимических сигналов, которые способствуют специфическому клеточному поведению, такому как пролиферация, дифференциация или миграция.Контролируемое высвобождение этих факторов может быть достигнуто с помощью различных стратегий покрытия, обеспечивая устойчивую передачу сигналов с течением времени.

Лечение плазмы и химическая функционализация

Плазменная обработка может изменять химию и топографию поверхности, улучшая смачиваемость и адгезию клеток. Этот подход особенно полезен для гидрофобных синтетических полимеров, где улучшенная смачиваемость может значительно улучшить прикрепление и распространение клеток.

Химическая функционализация вводит специфические функциональные группы на поверхности каркаса, позволяя последующее присоединение биологически активных молекул или предоставление прямых биохимических сигналов к клеткам. Такой подход позволяет точно контролировать химию поверхности при сохранении свойств сыпучих материалов.

Топографические модификации

Создание специфических поверхностных топографий с помощью таких методов, как литография, травление или тиснение, может влиять на поведение клеток через пути механотрансдукции.Нано- и микромасштабные топографические особенности могут направлять ориентацию клеток, влиять на форму клеток и влиять на дифференцировку.

Усовершенствованные модификации поверхности, такие как функционализация БЦ с биоактивными пептидами или наночастицами, могут усиливать клеточные реакции и остеогенный потенциал.Усовершенствованные модификации поверхности, такие как функционализация БЦ с биоактивными пептидами или наночастицами, могут усиливать клеточные реакции и остеогенный потенциал.

Проблемы в достижении оптимальной долговечности каркаса

Однако современные биокомпозитные каркасы сталкиваются со значительными ограничениями, особенно в достижении структурной прочности, контролируемых темпов деградации и эффективной клеточной интеграции.Несмотря на значительные успехи в проектировании и изготовлении каркасов, остается несколько проблем в создании каркасов, которые оптимально уравновешивают долговечность с биологическими характеристиками.

Сбалансировка механической поддержки с деградацией

Хатмахер предложил профиль деградации, в котором первоначально, в момент t0, имплантат учитывает всю массу и объем пространства конструкции, тогда как при t∞, после разрушения каркаса, кость самоподдерживается.По мере того, как объем ткани в TEC медленно увеличивается, видимые механические свойства новой ткани увеличиваются только после того, как достаточно внеклеточный матрикс отложился для поддержки нагрузки.

Остается неясным, какие прочностные характеристики каркаса должны присутствовать изначально для достижения конечной желаемой прочности. Должна ли конструкция быть более жесткой изначально или поддерживать постоянную прочность? Эти вопросы подчеркивают сложность проектирования каркасов, которые поддерживают адекватную механическую поддержку в процессе регенерации тканей.

Достижение равномерного распределения клеток и формирования тканей

В частности, постфабрикационное семеноводство пористых каркасов занимает много времени и неэффективно из-за ограниченной способности клеток проникать в каркасы. Обеспечение равномерного распределения клеток по трехмерным каркасам остается сложной задачей, особенно для более крупных конструкций, где ограничения диффузии могут препятствовать проникновению клеток в внутреннюю часть каркаса.

Стратегии решения этой проблемы включают динамические методы посева, включение каналов для инфильтрации клеток и подходы к биопечати, которые непосредственно откладывают клетки во время изготовления каркаса. Каждый подход предлагает преимущества и ограничения, которые должны быть рассмотрены для конкретных применений.

Вазуляризация и питательный транспорт

Для более крупных тканевых конструкций васкуляризация представляет собой критическую проблему. Без адекватного образования кровеносных сосудов клетки в недрах каркаса не могут получать достаточное количество кислорода и питательных веществ, ограничивая образование тканей и потенциально приводя к гибели клеток.

Стратегии содействия васкуляризации включают в себя включение ангиогенных факторов роста, создание каналов, которые управляют врастанием сосудов, и системы кокультуры, которые включают эндотелиальные клетки.Несмотря на эти подходы, достижение быстрой и обширной васкуляризации остается значительной проблемой в тканевой инженерии.

Клинический перевод и нормативные соображения

Как указано в Place et al., продукция TE должна быть как производительной, так и экономически эффективной, внося потенциальную дихотомию между необходимостью утонченности и простоты производства. При обеспечении эффективности каркаса также важно учитывать стоимость и доступность, обеспечивая масштабное производство каркасов, когда это необходимо.

Масштабируемость производства

Кроме того, для клинического перевода необходимы масштабируемые методы производства, которые поддерживают структурную целостность и однородность каркасов БК. Кроме того, масштабируемые методы производства, которые поддерживают структурную целостность и однородность каркасов БК, необходимы для клинического перевода. Перевод изготовления каркасов лабораторного масштаба на коммерческое производство требует решения проблем, связанных с воспроизводимостью, контролем качества и экономической эффективностью.

Производственные процессы должны быть надежными и воспроизводимыми, создавая каркасы с согласованными свойствами по партиям. Эта согласованность имеет важное значение для одобрения регулирующих органов и клинического применения, где изменчивость свойств каркасов может повлиять на результаты лечения пациентов.

Стерилизация и хранение

Методы стерилизации должны эффективно устранять патогены без ущерба для свойств каркасов.Обычные методы стерилизации, такие как автоклавирование, гамма-облучение и обработка этиленоксидом, могут влиять на механические свойства, скорость деградации и биоактивность каркасов.

Необходимо также учитывать условия хранения и срок годности, особенно для лесов, содержащих биологические компоненты, или тех, которые могут со временем разрушаться. Разработка протоколов хранения, которые поддерживают свойства лесов до клинического использования, имеет важное значение для практической реализации.

Регуляторные пути и клиническое тестирование

Исследования in vivo и in vitro продемонстрировали терапевтические перспективы этих каркасов, в то время как текущие клинические испытания предлагают понимание их трансляционного использования. Также подчеркиваются проблемы, стоящие перед переводом этих технологий в клиническую практику. Навигация по нормативным требованиям к продуктам тканевой инженерии требует обширного доклинического тестирования, включая исследования биосовместимости, механические испытания и исследования на животных, демонстрирующие безопасность и эффективность.

Клинические испытания должны продемонстрировать, что каркасы тканевой инженерии обеспечивают преимущества по сравнению с существующими методами лечения, сохраняя при этом приемлемые профили безопасности. Сложность этих продуктов, которые объединяют материалы, клетки и биологические факторы, создает уникальные проблемы регулирования, которые продолжают развиваться по мере продвижения в этой области.

Будущие направления и новые технологии

Биокерамика обладает отличной биосовместимостью, но страдает от хрупкости; металлы обладают высокой прочностью, но могут вызывать хроническое воспаление; природные полимеры являются биосовместимыми, но имеют плохие механические свойства, в то время как синтетические полимеры обладают сильной настраиваемостью, но могут производить кислые побочные продукты во время деградации. Кроме того, интеграция 3D-биопечати с композиционными материалами может повысить биосовместимость и механические свойства каркаса, представляя жизнеспособные решения текущих проблем.

Умные и отзывчивые каркасы

Последние достижения в области полимерной науки катализировали трансформационный сдвиг в биомедицинской инженерии, особенно за счет разработки биоразлагаемых и интеллектуальных полимеров. В этом обзоре исследуется эволюция, функциональность и применение этих материалов в таких областях, как тканевые леса, сердечно-сосудистые окклюдеры и системы контролируемой доставки лекарств. Акцент делается на полимерах с памятью формы (SMP), проводящих полимерах и композитах на основе полимеров, которые сочетают настраиваемую деградацию, механическую прочность и биоактивность.

Полимеры с памятью формы могут изменять форму в ответ на внешние раздражители, такие как температура, что позволяет минимально инвазивную доставку и развертывание каркасов. Проводящие полимеры могут обеспечивать электрическую стимуляцию клеток, потенциально усиливая регенерацию тканей в электрически активных тканях, таких как сердечная мышца и нерв.

Биомиметические и иерархические структуры

В будущих проектах эшафотов все больше внимания уделяется имитации иерархической структуры нативных тканей, включающей функции в нескольких масштабах длины от нано до макро. Этот подход признает, что нативные ткани демонстрируют сложную организацию в нескольких масштабах, причем каждый уровень способствует общей функции ткани.

Одной из ключевых проблем при изготовлении тканевого трансплантата является достижение механической совместимости с местом трансплантата; несоответствие этих свойств может формировать поведение окружающей нативной ткани, способствуя вероятности отказа трансплантата. Создание каркасов, которые действительно воспроизводят механическую и структурную сложность нативных тканей, остается важной целью для области.

Интеграция с подходами регенеративной медицины

Будущее тканевой инженерии каркасов заключается в их интеграции с другими подходами регенеративной медицины, включая терапию стволовыми клетками, генную терапию и иммуномодулирование. Рукава, которые могут доставлять клетки, гены и терапевтические молекулы, обеспечивая при этом механическую поддержку, представляют собой следующее поколение продуктов тканевой инженерии.

Для достижения надлежащей конструкции каркаса для достижения надлежащих биологических реакций необходима подходящая техника изготовления и комбинация биоматериалов с контролируемыми микро- или наноструктурами. Этот комплексный подход требует сотрудничества между дисциплинами и постоянных инноваций в материаловедении, клеточной биологии и производственных технологиях.

Практические руководящие принципы осуществления

Для исследователей и клиницистов, работающих над созданием долговечных тканевых каркасов, несколько ключевых принципов должны направлять интеграцию выбора материала и оптимизации механических свойств:

Заключение

Интеграция отбора материалов и механических свойств для прочных тканевых лесов требует комплексного, многодисциплинарного подхода, который учитывает сложные взаимодействия между материалами, механическими силами и биологическими системами.Успех в этом начинании зависит от тщательного баланса нескольких конкурирующих требований: каркасы должны быть биосовместимыми, но механически прочными, биоразлагаемыми, но достаточно прочными, чтобы поддерживать образование тканей, и достаточно пористыми для инфильтрации клеток, но достаточно сильными, чтобы выдерживать физиологические нагрузки.

В этой области достигнут значительный прогресс в разработке материалов и технологий изготовления, которые позволяют создавать все более сложные конструкции каркасов. Натуральные полимеры обеспечивают отличную биосовместимость и последовательности распознавания клеток, в то время как синтетические полимеры обеспечивают контролируемые свойства и воспроизводимость. Керамические и металлические материалы способствуют механической прочности и, в некоторых случаях, биоактивности. Композитные подходы сочетают преимущества нескольких классов материалов, создавая каркасы со свойствами, недостижимыми из отдельных материалов.

Механические свойства должны быть тщательно подобраны к целевым тканям, с растущим признанием того, что жесткость каркаса влияет не только на механическую поддержку, но и на поведение клеток и дифференцировку. Передовые технологии изготовления, особенно 3D-печать и биопечать, позволяют точно контролировать архитектуру каркаса, позволяя исследователям оптимизировать как механические, так и биологические характеристики.

Несмотря на эти достижения, остаются значительные проблемы. Достижение равномерного распределения клеток и образования тканей на трехмерных каркасах, содействие быстрой васкуляризации и поддержание механической поддержки во время деградации каркаса и образования тканей требуют постоянных инноваций. Перевод на клинические применения требует масштабируемых производственных процессов, надежных методов стерилизации и навигации сложных регуляторных путей.

Заглядывая вперед, область движется к все более сложным конструкциям каркасов, которые включают в себя интеллектуальные материалы, иерархические структуры и интеграцию с другими подходами регенеративной медицины. Эти достижения обещают создать каркасы, которые более точно воспроизводят сложность нативных тканей, потенциально позволяя регенерацию все более сложных структур тканей.

Для тех, кто работает в этой области, успех требует систематической оценки свойств материала, всестороннего механического тестирования, итеративной оптимизации дизайна и тщательной биологической проверки.Тщательно интегрируя выбор материала с оптимизацией механических свойств, исследователи могут разработать прочные тканевые каркасы, которые эффективно поддерживают регенерацию тканей, в конечном итоге продвигая цель создания функциональных замен тканей для клинических применений.

Продолжающаяся эволюция тканевых инженерных лесов будет зависеть от продолжающегося сотрудничества между учеными-материаловедами, инженерами, биологами и клиницистами. По мере углубления нашего понимания взаимодействий клеточных материалов и появления новых материалов и технологий изготовления потенциал для создания действительно биомиметических лесов, которые могут регенерировать сложные ткани, продолжает расти. Для получения дополнительной информации о биоматериалах и достижениях тканевой инженерии посетите Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии или изучите ресурсы на портале Nature Tissue Engineering .