Nanoyapılan Hidrogel Yerli Kartilage ECM için şüpheliler

Akut travma veya dejeneratif koşullardan kaynaklanan hasar, tüm fonksiyonları olağanüstü derecede zorlaştırır, mikroküresel müdahaleler ve yaşam kalitesi açısından önemli bir düşüş.En sonunda, mikropüresel olarak başarılı olan ancak yüksek çözünürlükte, organik bir şekilde iyileşme süresine yol açan nanoparçacıklı hidroksit implantasyonlar ve osteotobünler için son yıllardan daha düşük maliyetlidir.

Kartilage Ekstracellular Matrix'in Eleştirel Rolü

Sanatsal kartilagenin ekstra hücreli matrixi, yapısal bütünlüğü sağlayan çok özel, çok sorumlu bir ağdır ve yerleşik korelasyonlara biyokimyasal sinyalleri sunar.

Moleküler Kompozisyon ve Organizasyon

Cartilage ECM öncelikle tip II kolajen fibrils, proteoglycans ve yüksek su konsantrasyonu (yaklaşık% 80 ila% 80 ağırlık ile) Collagen fibrils, farklı bir derinlikli mimari ile karmaşık üç boyutlu ağla düzenlenir: yüzeysel bir tabaka, orta bir geçiş bölgesi ve derin bir kompresyon alanı.Bu hierarşik düzenleme, nanometreden milimetreden milimetreye kadar uzanan, sert bir şekilde sert bir şekilde sertleştirici, sert bir şekilde sertleştirici bir şekilde dayanıklı bir şekilde, yüksek çözünürlükte.

Signaling ve Mekanik Cues

Bu nedenle, ECM, kromatoksisitenin farmaküla ve matriks bakımını düzenleyen biyokimyasal ve mekanik cues sağlar.Integrin-mediated adhesion to kolajen and other ECM types, along with sequester growth factors (e.g., TGF-LR, BMPs), Gen kontrol gen ekspresi, prodüktif ve siklozal renografisi de bu tür özellikleri etkileyen bir nanobiyoloji ve mechanotransdüksiyon yollarına etkiler.

Nanoyapılan Hidrogel Scaffolds: Biyolojik Olarak Relevant Scale

Hidrogels, yüksek su içeriği, tunable kimya sunan su-swollen polimer ağları ve üç boyutlu bir çevre, yerli ECM'nin yeniden ortaya çıktığını hatırlatıyor - fiber çaplar, pore boyutları ve yüzey kabalığı gibi - araçtilasyon doku mühendisliği için güçlü platformlar haline gelir.

Tanım ve Anahtar Özellikleri

Nanoyapılı Hidrojekteler, 1-100 nm siparişinde özelliklerin varlığıyla tanımlanırlar. Bunlar, doğrudan matrix içinde gömülü nanoparçacıklar, nano ölçekli porselenler veya moleküler-düzelme kalıpları içerir. Kontrollü homojenliğin aksine, bu malzemeler birkaç kilopasa ve ECM bileşenleri ile ayarlanabilir. Anahtar özellikler yüksek yüzey alanı-to-volume oranı içerir.

Nanoyapılan Hidrogels Kategoriler

  • [FONT:0]Nanofiber tabanlı hidrogels: Elektrospun nanofiberler (Ceçe, jelatin veya PCL gibi doğal polimerlerden) hidroksigel ağlarına dahil edilir.
  • [FONT:0)Kendi kendini bir araya getiren peptid hidrogels:[Dönetici: Kısa peptid serisi α-form nanoyapıları non-covalent etkileşimleri aracılığıyla yapılandırılabilir. Bunlar biyoaktif motifler (örneğin, RGD, GFO) içerir.
  • [FONT:0)Nanocomposite Hidrogels: [DÜT:1] Nanopartiküllerin (nanoclays, karbon nanotüpler, hidroxyapatite, veya grafikene oksit) polimer ağları mekanik güç, elektrik iletkenliği veya biyoaktiviteyi artırabilir. Örneğin, laparçacık nanopartiküller büyüme faktörlerinin kontrollü serbest bırakılması sağlayabilir.
  • [FONT:0)Milyon bazlı hidrogels:[Dönetici: 0 ) Nanoyapılı mikrogeller (nanogel bina blokları) daha büyük scaffolds'a monte edilebilir ve betonsuzluğa ve bozulmaya kontrol edebilir.
  • [FONT:0)Crosslinked nanogel ağları: Polimer nanogelleri reaktif gruplarla birlikte, doğal nano ölçekli özelliklerle makroskobik bir hidrojekte edilebilir bir hidrojekteb oluşturmakla eşdeğerli olarak ilişkilendirilebilir.

Kumaşlama Yöntemleri

Çeşitli bir yapım teknikleri nanoyapı üzerinde kesin kontrol sağlar. Elektrospinning, uyumlu veya rastgele matlar olarak toplanabilir ve sonra bir hidroelektrikte bağlantı kurabilir veya gömülüdür. Self-assembly, moleküler tanıma ve termodinamik üzerine kurulu makrogözlü yapılaraptik yüzeylerde nanotüpler veya nanotüpler oluşturur.Sonunda, fotolitik ve 3D baskı (iki foton polimerizasyon dahil) sonlu bağlantılarda hidrojekte edilebilir.

Nanoyapılı Hidrogellerin Cartilage Onarımı için Avantajları

Nanoyapılı Hidrogels'in eşsiz özellikleri, geleneksel kliyelerin birçok sınırlamasını ele alır.

Yerli ECM Topography'nin Biomimicry

Bu hidrojeklerin nano ölçekli topografisi – fiber çapında, hizalama ve pore büyüklüğü dahil – chondrosits deneyimi in vivo. Örneğin, nanofibrous scaffositler üzerinde büyüyen chondrositler (Bırak) korelasyon ve aggrecan türün ifadesini teşvik ederken, mikron-fiber scaffoldukça, o tip Ijenerasyon ve kıvrımları dazenginize etmeye eğilimlidir.

Geliştirilmiş Hücre Adhesion ve yayılma

Nanoyapılı yüzeyler, yüksek oranda integrin-binding sitelerinin yüksek yoğunluk sağlar (örneğin, arginin-glycine-aspartic asit (RGD) dizileri arttı çünkü artan yüzey alanı içinde. Peptide Hidrogels kontrol edilen de özel yapıştırıcı motifleriyle işlevselleştirilebilir, kromatositikleri geliştirir.

Mekanik Tunability to Match Native Cartilageage

Yerli sanatlar kartilage, sert nano dolum malzemelerinin dahil edilmesi veya çift ağ mimarisinin oluşturulması ile ilgili olarak, derin bölgede 10 MPa'yı 10'dan fazla MPa'ya kadar uzanan sıkıştırıcı bir modulusa sahiptir. Örneğin, nanokristal veya silik nanoparçacık nanokristaller veya silikat nanoparçacıklar su içeriğinden ödün vermeden modları önemli ölçüde artırabilir. Mekanik eşleştirme bu değerleri çoğaltmayı engelleyebilir ve uygun mekanik bağlantı uyarıları sağlar.

Kontrollü Degradasyon ve MatrixChange

Hidrogel bozulması, Hidrolysis ile ortaya çıkabilir, endzymatik cleavage veya pH- veya sıcaklık duyarlı mekanizmaları. Kontrollü bozulma oranıyla, şüphelinin yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yeni ECM olarak kaybolur, sadece ana dokudan ayrılır.Incorporating peptidler cleavable by matrix metalloases (MMPs) hücreye uygun yeniden modellenmesine izin verir.

Minimally Invasive Delivery

Birçok nanoyapılan hidrojektes, situ'da çapraz bağlantı sağlayan enjektif öncüler olarak formüle edilebilir (örneğin, fotoinitiasyon, Michael ek veya tıklayın kimya). Bu, sanattaoskopik teslimatın minimum cerrahi travma ile doldurmasını sağlar.

Bioaktif Kargo Teslimatı

Yüksek su içeriği ve nano ölçekli porosity, büyüme faktörlerinin (örneğin, TGF-LR1, BMP-2, IGF-1), cytokines veya nükleik asitler kullanarak, nanoyapıdan kontrol edilebilirlik konsantrasyonu haftalar veya aylar boyunca tedavi edilebilir, kromatojen ve matris sentezlerini teşvik edebilir. Nanokompositler ek spatioteoral kontrol sağlayabilir - örneğin, beni oparçacık silikler kullanarak nanopartiküller kullanarak, yavaş salıverme için.

Zonal Structure Engineering

Artüler kartilage, yüzeysel bölgede farklı kolajlar, hücre yoğunluğu ve mekanik özellikler ile farklı bölgeleri vardır. Nanoyapılı hidrojekteler ile dekore edilebilir - bunu elde etmiş olan nanofiberler.

Mevcut Araştırma ve Preclinical keşifler

Aşırı in vitro ve in vivo çalışmalar, nanoyapılı Hidrogellerin arabatilasyon onarımı için potansiyelini göstermiştir.

Vitro Chondrsit Yanıtı

Kromozomlar veya mesenchymal kök hücreler (MSC) nanoyapılı hidrokarbonlar üzerinde tohumlanırken, viability, prodüktörlü olmayan kontrollerle kıyaslarulmuş ve tip II kolajen belirteçleri kullanarak, bir kendi bazlı nanofiberler, 14 gün içinde nitrit formasyonel bir membranın bozulmasını artırırlar.

In Vivo Animal Models

Rodent, tavşan ve keçi modelleri 12 hafta sonra makroskobuluştuğunu değerlendirmek için kullanılmıştır.Bir tavşan osteokondral defek modeli, nanokomyapatit ve policaprolactone nanofiberfotos, 12 hafta sonra makroskopiktif görünüm ve histolojik puanları önemli ölçüde geliştirdi.

Mevcut Modellerdeki Zorluklar

Sonuçlara rağmen, birçok çalışma eksik yenilenme rapor etti, özellikle daha büyük kusurları. Fibrocartilage form, scaffold delamination ve yetersiz mekanik güç sorunları kalır. Hayvan modelleri aynı zamanda insanlara kıyasla doğal farklılıklara sahiptir, çeviri belirsiz.Devrimsel önlemler (histoloji, biyomekanik, görüntüleme) farklı yaklaşımlar karşılaştırması gerekir.

Detaylı Bilgi İçin Anahtar Malzeme Sistemleri

Nanoyapılı hidrogellerin birkaç sınıfları geniş ölçüde araştırılmıştır.

Kendini - Peptide Hydrogels (SAPH)'ı bir araya getiriyor

SAPHs formu iyonik veya hidrofobik etkileşimler, 10-20 nm çapında nanofiberler elde etmek, biyoaktif epitoplarla (örneğin, RGD, TGF-LR bağlayıcı dizileri) etkinleştirilebilir. (örneğin, düşük mekanik güç (< 10 kPa) yük devreleri yükleyen veya betonla karıştıran polimerler ile karıştırılabilir.

Nanofiber-Reinforced Hydrogels

Elektrospun nanofiberler (örneğin, policaprolactone, poli(lactic-colycolic asit), veya jelatin) bir hidrojektör (alginate, hipnozlu jelatin) veya methacrilated jelatin) Bu yaklaşım, 4 hafta boyunca hidrojektif olarak kullanılabilirliği sağlamak için fiberleri birleştirir. (2011)

Nanocomposite Hidrogels inorganik Nanopartiküls ile

Nanoklays (örneğin, Laponite), karbon nanotüpler veya nanosilicates mekanik özellikleri dramatik bir şekilde artırabilir ve osteokozmisyonlar sunar. Laponite, sentetik tabakalı silikit, korondropeksiyojen ve mineral depozisyon. (2013) tarafından yapılan bir çalışma, Laite nanokomposite hidrojekte ediciliği ile birlikte modatif bir artış gösterdi.

Future Yol ve Klinik Çeviri

Nanoyapılı hidrogels önemli ölçüde gelişmiş olsa da, birçok engel yaygın klinik kabulden önce kalır.

Scalable Manufacturing ve Reproducality

Nanoyapılı scaffolds'ın Fabrication of nanoyapılantılı scaffolds must be cost- effective and reproducible at klinik ölçek. Electrospinning multi-jet sistemleri kullanarak ölçeklenebilir, ancak nanofiber üniformasını kontrol eder ve hizalamalar pahalıya ihtiyaç duyar; çabaların optimize edilmesi ve maliyetleri azaltmak için uygundur.

Host Tound ile entegrasyon

Yerli kartilage ve subchondral kemik ile ilgili scaffold in the scaffold with enzimler (e.g., kolaj sırasında bitişik ana matrixi sindirme yol açar. başka bir yaklaşım: scaffoldular veya kimyasal bağlantı kurmak doku.

Uzun vadeli Durability ve Direnişi Giyin

Artüler kartilage, ömür boyu milyonlarca yükleme döngüsüne dayanmalıdır. Çoğu hidrogels degrad sıkıştırması altında zaman mekanik bütünlüğü kaybetmeli veya yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte otomatik olarak yüksek çözünürlükte kullanılabilir.In study should be used to 12 months or more to be used.

Hasta-Specific ve Zonal Scaffolds

3D biyoprinting ile nano ölçekli karar ile ilgili ilerlemeler, hastaya özgü scaffolds'leri bu tür hataları geometri ve zonal mekanik özellikleriyle eşleştirebilir.Mozersiz inks (e.g., nanofibrillated cellulose veya hipnozlu asit nanogelleri içeren) biyografileri kullanarak erken klinik denemeler 3D baskılı onarımlar söz verdi.

Hücreler ve Biyologics ile birlikte

Bazı yaklaşımlar, işe yarayan endojen hücrelere, otolog veya komplikeli bir şekilde tohumlama veya MSC'lere güvenmek büyük hataların sağlanması için gerekli olsa da, nanoyapılı Hidrojektörlerin teslim edilmesi için tasarlanabilir. (örneğin, lentiviral vektörler encoding korelasyon) uzun süre boyunca sürekli olarak restore edilen (örneğin, yüksek çözünürlükte (örneğin, yüksek çözünürlükte) genleme.

Sonuç: Kartilage Onarım Onarımı'ndaki Nanoyapılı Hidrogellerin Yolu İleri

Nanoyapılan hidrogel scaffolds, yerli kartilage ECM'yi taklit etmek ve işlevsel doku yeniliğini teşvik etmek için son derece umut verici bir platformdur. Biyolojik olarak ilgili nano ölçekli, araştırmacılar korelasyonda, ölçeklendirmede ve biyokimyasal bozukluklarda, uzun vadeli performansta kalıcı olarak kalıcı olarak ilerlemelere ve bu tür biyoçeşitliliklere karşı biyoçeşitliliklerin desteklenmesi ve hyaline benzeyen matrislerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

[0] Daha fazla okuma için Dış kaynaklar:

  • [0]Doğa Malzemeler: Hidrojekler doku mühendisliği için ).
  • [FONT:0)Current araçlatma doku mühendisliği (Biomates, 2020)).
  • [FONT:0)Chemical İncelemeler: Biyomedikal uygulamalar için nanoyapılı Hidrojekteler).
  • [FONT:0) Biyomühendislikte Frontiers: Nanocomposite Hidrogels for cartilage onarımı).