Электроспиннинговые методы разработки карточно-тканевых инженерных лесов

Дефекты суставного хряща, возникающие в результате травмы или дегенеративных заболеваний, таких как остеоартрит, представляют собой серьезную клиническую проблему. Аваскулярная и аневральная природа гиалинового хряща серьезно ограничивает его внутреннюю способность к самовосстановлению, часто приводя к прогрессирующему ухудшению суставов и значительной заболеваемости. Текущие клинические вмешательства, включая микрофрагментацию, аутологическую имплантацию хондроцитов (ACI) и перенос остеохондрального аутотрансплантата, показали переменный успех и часто связаны с образованием механически неполноценного фиброкартилового хряща, а не прочного гиалинового хряща. За последние два десятилетия тканевая инженерия появилась в качестве убедительной альтернативной стратегии, направленной на регенерацию функционального хряща через синергетическую комбинацию биоматериальных каркасов, клеток-предшественников и биологически активных сигнальных молекул. Центральным в успехе этой парадигмы является разработка каркаса, который эффективно повторяет нативную архитектуру внеклеточного матрикса

Обоснование регенерации хряща на основе лесов

Хрящ гиалина обладает узкоспециализированной анизотропной структурой, которая имеет решающее значение для его несущих и низко трение свойств. ECM в первую очередь состоит из фибрилл коллагена II типа и протеогликан аггрекана, которые организованы в отдельные зоны: поверхностную, среднюю и глубокую зоны. Каждая зона демонстрирует уникальные различия в ориентации коллагеновых волокон, содержании протеогликанов и морфологии хондроцитов. Успешный каркас тканевой инженерии должен переназначить эти сложные структурные и биохимические сигналы, чтобы направлять правильное формирование ткани и интеграцию. Шаблоны обеспечивают трехмерный (3D) шаблон для прикрепления клеток, пролиферации и осаждения ECM, а также служат в качестве средства доставки факторов роста и предлагают временную механическую поддержку, чтобы выдерживать требовательную биомеханическую среду сустава.

Идеальный каркас должен быть биосовместимым, биоразлагаемым со скоростью, соизмеримой с образованием новой ткани, достаточно пористым, чтобы позволить проникнов

Основы электроспиннинга для тканевой инженерии

Электроспиннинг — это высокоадаптируемый электрогидродинамический процесс, производящий непрерывные волокна диаметром от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Эта техника имеет поразительное сходство с масштабом и архитектурой нативного ECM, что делает его особенно привлекательным для ремонта хряща. Основная установка состоит из высоковольтного источника питания, шприцевого насоса, подключенного к шпиннерету (обычно тупой иглой), и заземленного коллектора. В ходе процесса полимерный раствор или расплав экструдируется через шпиннерет для образования капельки подвески. Приложенное высокое напряжение вызывает электрический заряд на поверхности капли, заставляя ее деформироваться в коническую форму, известную как конус Тейлора.

Как только электростатическое отталкивание преодолевает поверхностное натяжение раствора, заряженная струя выталкивается из вершины конуса Тейлора. Эта струя подвергается энергичному взбиванию и растягиванию движения из-за электростатических неустойчивостей, позволяя растворителю испаряться и оставляя за собой затвердевшие, случайно ориентированные или выровн

Критические параметры обработки

Морфология, диаметр и общие свойства электроспуновых волокон регулируются сложным взаимодействием параметров раствора, параметров обработки и условий окружающей среды.Освоение этих параметров необходимо для инженерных лесов с желаемыми характеристиками регенерации хряща.

Параметры решения

Концентрация полимера и вязкость раствора являются первичными детерминантами образования волокна. Если концентрация слишком низкая, происходит электрораспыление, получение бусин или капель, а не непрерывных волокон. И наоборот, чрезмерно высокие концентрации могут привести к образованию волокон микрометрового размера или сделать раствор слишком вязким для обработки. Молекулярная масса полимера влияет на запутывание цепи, что необходимо для стабилизации струи. Волатильность растворителя и проводимость также играют критические роли; растворитель с соответствующей точкой кипения обеспечивает адекватное испарение во время полета, в то время как более высокая проводимость раствора обычно приводит к более низким диаметрам волокна из-за повышенного отталкивания заряда.

Обрабатывающие параметры

Приложенное напряжение, расход и расстояние от кончика до коллектора (TCD) являются первичными переменными обработки. Минимальное напряжение требуется для индуцирования конуса Тейлора и инициирования струйного образования. Более высокие напряжения могут первоначально уменьшить диаметр волокна, но могут привести к образованию бусин или нескольких струй при экстремальных значениях. Скорость потока должна соответствовать скорости струйного движения; Чрезмерный расход приводит к большим диаметрам волокна, бисеру или образованию сплюснутых лентоподобных волокон. TCD влияет на время полета, доступное для испарения растворителя и силы электрического поля.

Недостаточное расстояние может привести к влажным волокнам, содержащим остаточный растворитель, который может сливаться при сборе. Вращающаяся нижняя нить или параллельный коллектор пластин могут использоваться для получения выровненных волокон, которые особенно актуальны для имитации анизотропной организации глубокой зоны хряща.

Экологические параметры

Влажность и температура окружающей среды могут существенно влиять на морфологию волокон. Высокая влажность может привести к конденсации водяного пара на поверхности волокна, что приводит к образованию пористых структур или пор из-за разделения фаз. Температура влияет на вязкость раствора и скорость испарения растворителя.

Электроспиннинговые конфигурации для хрящевых лесов

В то время как стандартная установка электроспиннинга широко используется, были разработаны расширенные конфигурации для создания более сложных каркасов с повышенной биоактивностью, улучшенными механическими свойствами и лучшей масштабируемостью для клинических применений.

Решение Electrospinning для изготовления базовых строительных лесов

Наиболее распространенный и простой метод включает электрошпиннинг одного полимера или раствора полимерной смеси. Этот метод позволяет генерировать случайные, нетканые маты, которые обеспечивают высокую площадь поверхности для крепления клеток. Используя высокоскоростной вращающийся коллектор, волокна могут быть ориентированы в предпочтительном направлении, создавая выровненную топографию, которая направляет выравнивание клеток и организацию ECM. Этот направленный контроль является мощным инструментом для проектирования зональной архитектуры хряща.

Коаксиальный электроспиннинг для контролируемой биоактивной доставки

Коаксиальный электроспиннинг использует концентрический спиннерет для получения волокон с различной морфологией ядра-оболочки. Эта конфигурация особенно ценна для инкапсуляции чувствительных биоактивных молекул, таких как факторы роста, цитокины или лекарства, в ядре волокна. Оболочка действует как защитный барьер против суровых органических растворителей, часто используемых в процессе, и может быть спроектирована для контроля кинетики высвобождения инкапсулированной полезной нагрузки. Для восстановления хряща коаксиальные волокна, нагруженные трансформирующим фактором роста-бета 1 (TGF-β1), TGF-β3 или костными морфогенетическими белками (BMP), могут обеспечить устойчивую локальную доставку к прямой дифференцировке стволовых клеток в хондроциты и способствовать синтезу матрицы, защищая фактор роста от деградации.

Эмульсионное электроспиннинг

В качестве альтернативы коаксиальному электроспиннингу эмульсионное электроспиннинг включает в себя создание эмульсии воды в масле (или масла в воде) биологически активного агента в полимерном растворе. В процессе эмульсионные капли растягиваются и выравниваются в струе, что приводит к их включению в матрицу волокна. Этот метод предлагает более простой способ инкапсулировать гидрофильные агенты, такие как белки и полисахариды, без необходимости специализированной установки коаксиальной иглы.

Бесшовный и многоджетный электроспиннинг для масштабируемости

Существенным ограничением обычного одноигольного электроспиннинга является его низкая скорость производства, что создает барьер для клинического перевода и производства крупномасштабных конструкций. Бесшкольный электроспиннинг устраняет это ограничение, генерируя многочисленные конусы Тейлора одновременно из свободной жидкой поверхности, такой как вращающийся барабан, диск или провод. Эта технология резко увеличивает пропускную способность волокна, что делает возможным производство больших однородных каркасов для доклинических исследований и потенциального клинического использования.

Биоматериалы для электроспун хрящевых лесов

Выбор биоматериалов является краеугольным камнем конструкции каркаса. Идеальный полимер для конструирования хрящевой ткани должен быть биосовместимым, биоразлагаемым, обрабатываемым электроспиннингом, и обладать механическими свойствами, соответствующими нативной ткани. Широко исследуются как синтетические, так и натуральные полимеры, а также их композиты.

Синтетические полимеры: PCL, PLGA и PLLA

Синтетические полиэфиры предпочтительны за их воспроизводимое качество, настраиваемые скорости деградации и надежные механические свойства. Поликапролактон (PCL) является полукристаллическим полимером с медленной скоростью деградации (до 2-3 лет) и высокой прочностью на растяжение, что делает его отличным кандидатом для обеспечения долгосрочной механической поддержки. Однако его гидрофобность и отсутствие биологически активных мест распознавания ограничивают начальную адгезию клеток и требуют модификации поверхности или смешивания с большим количеством гидрофильных материалов. Поли (молочная ко-гликолевая кислота) предлагает преимущество настраиваемой скорости деградации путем регулирования отношения молочная к гликолевая кислота. PLGA разлагается быстрее, чем PCL и хорошо зарекомендовала себя для его биосовместимости.

Полилактическая кислота (PLLA) обеспечивает высокую механическую прочность и часто используется в ориентированных волоконных каркасах. Основным недостатком этих полиэфиров является создание слегка кислой местной среды при деградации, которая, хотя и хорошо переносима, может быть проблемой для высокочувствительных применений.

Природные полимеры: коллаген, желатин, читосан и гиалуроновая кислота

Натуральные полимеры обеспечивают исключительную биосовместимость и содержат присущие им биологические сигналы, способствующие адгезии и дифференцировке клеток. Коллаген I и II типа являются наиболее распространенными белками в соединительных тканях и непосредственно распознаются клетками через рецепторы интегрина. Желатин, полученный из коллагена, сохраняет мотивы адгезии клеток RGD (аргинилглициклиласпартовой кислоты) и растворим и легче электроспин. Хитосан, полисахарид, полученный из хитина, проявляет структурное сходство с гликозаминогликанами (GAG), обнаруженными в нативном хряще. Он поддерживает хондрогенную дифференцировку и обладает антимикробными свойствами.

Гиалуроновая кислота (HA) является основным неструктурным компонентом хрящевой ECM и взаимодействует с рецепторами CD44 на хондроцитах, играя ключевую роль в хрящевом гомеостазе и смазке суставов. Несмотря на свои биологические преимущества, одни

Композитные и гибридные каркасы

Для использования сильных сторон обоих классов полимеров электроспиннинг позволяет создавать композитные каркасы. Смешивание синтетических и природных полимеров, таких как PCL/коллаген или PLGA/читозан, приводит к каркасу с улучшенной гидрофильностью, сродством клеток и механическими свойствами. Альтернативно, многослойные каркасы могут быть изготовлены путем последовательного электроспинирования различных полимеров или путем объединения электроспиннинга с другими методами изготовления. Для зональной регенерации хряща каркас может иметь случайную волокнистую архитектуру в средней зоне, чтобы стимулировать осаждение ECM и выровненную архитектуру в глубокой зоне, имитируя вертикальные коллагеновые волокна, все вместе с включением специфических для региона биохимических сигналов.

Функционализация электрозакрученных лесов для усиления хондрогенеза

Для активного направления дифференциации стволовых клеток и содействия надежному, стабильному образованию хряща электрошоковые каркасы функционализируются с помощью ряда биологических и физических сигналов.

Фактор роста Доставка

Спатиотемпоральный контроль доставки фактора роста является мощным инструментом. Члены суперсемейства TGF-β, в том числе TGF-β1 и TGF-β3, являются наиболее мощными индукторами хондрогенеза. Эти факторы могут быть физически адсорбированы на поверхности волокна, инкапсулированы в коаксиальные или эмульсионные электроспуновые волокна, или ковалентно иммобилизованы с помощью химических линкеров. Устойчивое высвобождение этих факторов из каркаса способствует дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток (МСК) в хондроциты и стимулирует синтез коллагена II типа и аггрекана. Другие факторы роста, такие как BMP-7 (OP-1) и инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1), также играют важную роль в хрящевом гомеостазе и восстановлении и могут быть аналогичным образом включены.

Модификация поверхности и биохимические процессы

Помимо факторов роста поверхность каркаса может быть модифицирована для представления пептидов или полисахаридов, полученных из ECM. Иммобилизация пептида RGD усиливает адгезию клеток посредством связывания с интеграном. Включение сульфатированных ГАГ, таких как сульфат хондроитина или сульфат гепарина, обеспечивает сайты связывания для факторов роста и способствует отрицательной плотности заряда нативного хряща. Обработка плазмой является распространенным методом, используемым для введения полярных функциональных групп (например, гидроксил, карбоксил) на поверхность гидрофобных полимеров, таких как PCL, улучшая смачиваемость и облегчая последующую биоконъюгацию.

Решение ключевых проблем в электроспиннинге для ремонта хряща

Несмотря на свои значительные преимущества, электроспиннинг сталкивается с несколькими постоянными проблемами, которые необходимо преодолеть для достижения функциональной регенерации хряща.

Улучшение клеточной инфильтрации и 3D-распределения

Одним из наиболее хорошо документированных ограничений обычных электроспун-матов является их плотная упаковка волокна и небольшие размеры пор (обычно < 10 мкм). Эта структура физически препятствует инфильтрации клеток, что приводит к тонкому слою клеток, покрывающих поверхность каркаса, а не равномерному 3D-распределению. Эта проблема серьезно ограничивает образование однородной ткани. Стратегии преодоления этого включают в себя объединение электроспиннинга с выщелачиванием соли или кристаллов льда (криогенный электроспиннинг) для создания более крупных пор. Другой подход включает электроспрейинг клеток или гидрогель-микросфер одновременно с электроспиннингом для создания пропитанной клеткой конструкции. Электроспиннинг на вращающейся заостренной уздечке также может вводить макроканалы в каркас, облегчая проникновение клеток.

Соответствие сложных механических и анизотропных свойств хряща

Хрящ имеет высокоанизотропную структуру и нелинейное вязкоупругое механическое поведение. Воспроизведение этого с помощью простого нетканого коврика чрезвычайно сложно. Сжимающий модуль глубокой зоны намного выше, чем у поверхностной зоны, при этом поверхность требует низкого коэффициента трения. Соответствие этим свойствам требует создания зональных каркасов. Это можно решить путем изготовления градиентных каркасов с различным составом волокна, диаметром, ориентацией или плотностью сшивания по толщине каркаса.

Сочетание электроспиннинга с 3D-печатью (расплавление электрописьма) предлагает мощную стратегию усиления механической массы каркаса при сохранении нановолокнистой микросреды.

Масштабируемость и клинический перевод

Перевод электроотверстий от настольных до прикроватных требует решения вопросов воспроизводимости, стандартизации и надлежащей производственной практики (GMP). Масштабируемость производства волокна решается безигольными и многоструйными системами. Однако обеспечение последовательной морфологии волокон, равномерной функционализации и стерильности между партиями является значительным препятствием. Регуляторные пути для композитных, лекарственных электоральных лесов сложны, требуют строгой характеристики эшафота, профиля выпуска любых биологических препаратов и конечной производительности в соответствующих моделях животных.

Будущие перспективы и клинические перспективы

Область электроспиннинга для машиностроения хрящевой ткани продолжает быстро развиваться.Новые тенденции указывают на более сложные, многофункциональные и персонализированные каркасы.

Интеграция с аддитивным производством (3D-биопечать)

Комбинирование электроспиннинга с 3D-печатью является особенно перспективным направлением. Расплавление электрошифра (MEW) является формой электроспиннинга, которая производит высокоупорядоченные волокна микрометрового масштаба, которые могут быть уложены послойно для создания точных 3D-архитектуры. Эти структуры могут обеспечить необходимую механическую прочность и макропористость для инфильтрации клеток, позволяя слоям нановолокна (от обычного электроспиннинга) обеспечивать высокую площадь поверхности для крепления клеток. Этот гибридный подход позволяет создавать иерархические каркасы, которые воспроизводят как нано-, так и микроархитектуру нативного хряща.

Стимулирующие и умные материалы

Разработка «умных» каркасов, реагирующих на местную совместную среду, является захватывающим рубежом. Эти каркасы могут высвобождать факторы роста в ответ на ферментативную активность (например, матричные металлопротеиназы), изменять свои механические свойства в ответ на нагрузку или доставлять противовоспалительные препараты в ответ на воспалительные цитокины. Такие реагирующие системы могут лучше имитировать динамический характер нативного восстановления тканей и гомеостаза.

Персонализированные и зональные леса

Достижения в области визуализации и вычислительного моделирования прокладывают путь для проектирования каркасных лесов для конкретного пациента. МРТ или КТ пациента могут быть использованы для определения точной геометрии дефекта хряща, и каркас может быть изготовлен в соответствии. Кроме того, каркасы могут быть спроектированы с различными зонами, которые имитируют поверхностные, средние и глубокие слои хряща, каждый со своей собственной оптимизированной ориентацией волокон, механическими свойствами и биохимическим составом. Хотя широкое клиническое использование электрошоковых каркасов для восстановления хряща еще не является реальностью, фундаментальная наука надежна. С продолжающимся прогрессом в материаловедении, технологии обработки и биологическом понимании, электрошоковые каркасы имеют огромный потенциал, чтобы стать стандартным, эффективным лечением для восстановления функции суставов и облегчения глобального бремени хрящевой болезни.