Nano-rusztowanie

Nano-rusztowanie (lub nano-rusztowanie) to proces medyczny stosowany do odbudowy tkanki i kości, w tym kończyn i narządów. Nano-rusztowanie to trójwymiarowa struktura złożona z bardzo małych włókien polimerowych, których skala zaczyna się od nanometra ( ^10-9 m). Opracowana przez armię amerykańską technologia medyczna wykorzystuje mikroskopijną aparaturę wykonaną z drobnych włókien polimerowych zwany rusztowaniem. Uszkodzone komórki przyczepiają się do rusztowania i zaczynają odbudowywać brakującą kość i tkankę przez małe otwory w rusztowaniu. W miarę wzrostu tkanki rusztowanie jest wchłaniane przez organizm i całkowicie znika.

Nano-rusztowania zastosowano również do odrastania spalonej skóry. W procesie tym nie mogą rosnąć złożone narządy, takie jak serca.

Historycznie rzecz biorąc, badania nad nano-rusztowaniami sięgają co najmniej późnych lat 80. XX wieku, kiedy Simon wykazał, że elektroprzędzenie można wykorzystać do produkcji polimerowych włóknistych rusztowań w skali nano i submikronowej, przeznaczonych specjalnie do stosowania jako podłoża do komórek i tkanek in vitro . To wczesne zastosowanie elektroprzędzonych sieci włóknistych do hodowli komórkowych i inżynierii tkankowej wykazało, że różne typy komórek przylegają do włókien poliwęglanowych i namnażają się na nich. Zauważono, że w przeciwieństwie do spłaszczonej morfologii typowej dla hodowli 2D, komórki hodowane na włóknach elektroprzędzonych wykazywały bardziej zaokrągloną trójwymiarową morfologię, ogólnie obserwowaną w tkankach na żywo .

Jak to działa

Nano-rusztowanie jest bardzo małe, 100 razy mniejsze niż ludzki włos i jest zbudowane z biodegradowalnych włókien. Zastosowanie tego rusztowania pozwala na efektywniejsze wykorzystanie komórek macierzystych i szybszą regenerację. Elektroprzędzone nanowłókna są przygotowywane przy użyciu mikroskopijnych rurek o średnicy od 100 do 200 nanometrów . Te splatają się ze sobą w postaci sieci, gdy są produkowane. Elektroprzędzenie pozwala na sterowanie konstrukcją tych wstęg w sensie średnicy, grubości tuby i użytego materiału. Nano-rusztowanie jest umieszczane w ciele w miejscu, w którym nastąpi proces regeneracji. Po wstrzyknięciu komórki macierzyste są dodawane do rusztowania. Wykazano, że komórki macierzyste przymocowane do rusztowania są bardziej skuteczne w dostosowywaniu się do środowiska i wykonywaniu zadania regeneracji. Końce nerwów w ciele przyczepią się do rusztowania, wplatając się między otworami. Spowoduje to, że będą działać jako pomost łączący odcięte sekcje. Z biegiem czasu rusztowanie rozpuści się i bezpiecznie opuści ciało, pozostawiając na swoim miejscu zdrowe nerwy.

Technologia ta jest połączeniem badań nad komórkami macierzystymi i nanotechnologii . Możliwość naprawy uszkodzonych nerwów jest największym wyzwaniem i nagrodą dla wielu badaczy, a także ogromnym krokiem naprzód w dziedzinie medycyny. Pozwoliłoby to lekarzom na naprawę nerwów uszkodzonych w ekstremalnym wypadku, takim jak oparzenia trzeciego stopnia. Technologia jest jednak wciąż w powijakach i nadal nie jest w stanie zregenerować złożonych narządów, takich jak serce, chociaż można już z niej tworzyć skórę, kości i paznokcie. Wykazano, że nanorusztowanie jest od czterech do siedmiu razy skuteczniejsze w utrzymywaniu komórek macierzystych przy życiu w organizmie, co pozwoliłoby im skuteczniej wykonywać swoją pracę. Ta technologia może być wykorzystana do ratowania kończyn, które w przeciwnym razie wymagałyby amputacji. Nanoscafolding zapewnia dużą powierzchnia wytwarzanego materiału wraz ze zmiennymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi . Pozwala to na ich zastosowanie w wielu różnych dziedzinach techniki.

Tło

Inżynieria tkankowa

Inżynieria tkankowa polega na wykorzystaniu komórek, rusztowań i różnych technik architektury tkankowej w celu przywrócenia, wymiany i regeneracji uszkodzonej tkanki ciała.

Inżynieria tkankowa polega na wykorzystaniu komórek, rusztowań i różnych technik architektury tkankowej w celu przywrócenia, wymiany i regeneracji uszkodzonej tkanki ciała. Celem inżynierii tkankowej jest przywrócenie, zastąpienie lub regeneracja uszkodzonej tkanki ciała. Nano-rusztowania wraz z komórkami i sygnałami czynnika wzrostu są wykorzystywane w zastosowaniach inżynierii tkankowej. Zastosowania inżynierii tkankowej mają na celu przezwyciężenie przeszkód związanych z allotransplantacją , które obejmują niedostępnych dawców, skomplikowane operacje i opiekę pooperacyjną. W 2015 roku światowy rynek inżynierii tkankowej szacowano na 23 miliardy dolarów, a do 2022 roku miał osiągnąć 94,2 miliarda dolarów. Oczekiwany szybki wzrost był spowodowany wzrostem chorób kości i stawów, przy czym leki regenerujące układ mięśniowo-szkieletowy stanowiły 26,4% medycyny regeneracyjnej rynek.

Matryca zewnątrzkomórkowa

Większość ludzkich komórek w tkankach zakotwicza się w stałej macierzy pozakomórkowej (ECM). Składniki ECM różnią się w różnych typach tkanek ciała. ECM działa jak naturalne „rusztowanie”. ECM ma pięć głównych funkcji:

1. Zapewnij wsparcie komórkowe i mikrośrodowisko niezbędne do wzrostu komórek, migracji i odpowiedzi sygnałowej.
2. Zapewnia właściwości mechaniczne tkanki, takie jak sztywność i elastyczność. Te właściwości różnią się, aby zapewnić określone funkcje tkanki.
3. Zapewnij bioaktywne regulatory, aby wywołać reakcje komórkowe.
4. Zapewnienie rezerwuaru dla komórkowych czynników wzrostu w celu wzmocnienia odpowiedzi komórek.
5. Zapewnij degradowalne środowisko fizyczne, aby pomieścić przebudowę ECM w odpowiedzi na rozwojowe, fizjologiczne i patologiczne bodźce podczas procesów tkankowych.

Celem nano-rusztowania jest naśladowanie funkcji ECM, aby zachęcić do odbudowy, wymiany i regeneracji tkanek. Zarówno różnice ECM między typami tkanek, jak i złożoność ECM utrudniają mimikrę nano-rusztowania.

Nano-rusztowanie

Aby naśladować ECM, nano-rusztowanie ma cztery główne cechy i funkcje:

1. Architektura: musi zapewniać pustą przestrzeń do formowania się nowej tkanki. Biomateriały nano-rusztowań muszą być porowate, aby umożliwić transport składników odżywczych do tkanki w obrębie konstruktu. Jednak pomimo porowatej architektury nanorusztowanie musi być wystarczająco wytrzymałe mechanicznie, aby wytrzymać obciążenia fizjologiczne.
2. Kompatybilność cyto- i tkankowa: Nano-rusztowania muszą wspierać przyleganie, wzrost i różnicowanie komórek przed implantacją in vitro i po implantacji in vivo .
3. Bioaktywność: Biomateriały w nano-rusztowaniu muszą ułatwiać i regulować aktywność komórek i tkanek, tak jak w naturalnej tkance gospodarza.
4. Własność mechaniczna: musi zapewniać kształt i stabilność uszkodzonej tkance. Mechaniczne właściwości nano-rusztowania określają różnicowanie, morfologię i właściwości komórek dzięki zdolności komórek do wyczuwania sztywności podłoża.

Zbliżać się

Istnieją cztery główne podejścia do nano-rusztowań, które obejmują gotowe porowate rusztowania do wysiewania komórek, odkomórkowioną ECM z tkanek allogenicznych lub ksenogenicznych do wysiewania komórek, arkusze komórek z samoczynnie wydzielaną ECM oraz kapsułkowanie komórek w samoorganizującej się matrycy hydrożelowej. Każde podejście obejmuje różne materiały, metody wytwarzania i wynikające z nich właściwości mechaniczne. Oprócz tych czterech podejść zbadano metaliczne nanocząstki w celu poprawy właściwości mechanicznych nano-rusztowań. Elektroprzędzenie nanowłókien to kolejna metoda wytwarzania nano-rusztowań.

Gotowe porowate rusztowania do wysiewania komórek

Szeroka gama biomateriałów nano-rusztowań została wykorzystana do wykonania gotowych porowatych rusztowań do wysiewania komórek. Te biomateriały można podzielić na naturalne i syntetyczne. Naturalne biomateriały uzyskuje się ze źródeł naturalnych, które obejmują między innymi ECM z alloprzeszczepów lub ksenoprzeszczepów, fosforany wapnia i polimery organiczne, takie jak białka, polisacharydy, lipidy i polinukleotydy. Naturalne biomateriały zwiększają biokompatybilność nano-rusztowań, ale ograniczają stabilność fizyczną i mechaniczną. Naturalne biomateriały ryzykują negatywną odpowiedź immunologiczną u gospodarza implantacji ze względu na źródło allogeniczne lub ksenogeniczne. Syntetyczne biomateriały można podzielić na organiczne i nieorganiczne. W porównaniu z naturalnymi, syntetyczne biomateriały łatwiej dopasowują się do różnej twardości tkanek, dzięki czemu mają zastosowanie do szerszej gamy tkanek. Syntetyczne biomateriały są mniej biokompatybilne i powodują zmniejszone przyleganie i wzrost komórek. Właściwości powierzchniowe i objętościowe można zmieniać w syntetycznych biomateriałach, próbując zwiększyć biokompatybilność powierzchni.

Do wytworzenia porowatego rusztowania zastosowano różne techniki wytwarzania, takie jak porogeny w biomateriałach, stałe swobodne formy lub szybkie prototypowanie oraz wykorzystanie włókien tkanych lub nietkanych. Aby zastosować porogeny w biomateriale nano-rusztowania, materiały stałe w ciałach stałych lub rozpuszczone w rozpuszczalnikach są łączone z porogenem. Porogeny obejmują dwutlenek węgla, wodę i parafinę. Po wyprodukowaniu biomateriału porogeny są usuwane metodami takimi jak sublimacja, odparowanie i topienie. Dlatego po usunięciu porogenów pozostaje porowate rusztowanie z porami. Do wytwarzania za pomocą litego swobodnego lub szybkiego prototypowania wykorzystano metody takie jak spiekanie laserowe, stereolitografia i drukowanie 3D. Metody te wykorzystują przenikanie światła lub ciepła do wiązania lub sieciowania stosowanego biomateriału. Sieciowanie zapewnia zwiększoną wytrzymałość materiału. Technika wytwarzania wykorzystująca tkane i włókninowe struktury włókniste zapewnia porowatą strukturę, gdy włókna są związane energią cieplną. Elektroprzędzenie wykorzystuje się poprzez zastosowanie wysokiego napięcia w roztworze polimeru. Wirujący strumień włókien powstaje, gdy siły elektrostatyczne przewyższają siły w roztworze polimeru. Metoda prefabrykowanych rusztowań porowatych pozwala na tworzenie określonej struktury. Dzięki wytwarzaniu umożliwiającemu tworzenie skomplikowanych struktur, nano-rusztowania wykorzystujące tę metodę można dostroić tak, aby przypominały określone ECM tkanek.

Odkomórkowiona ECM z tkanek allogenicznych i ksenogenicznych do wysiewania komórek

Odkomórkowiona ECM z tkanek allogenicznych i ksenogenicznych została wykorzystana w inżynierii tkankowej dla zastawek serca, naczyń, nerwów, ścięgien i więzadeł. Aby wykorzystać ECM z tkanek allogenicznych lub ksenogenicznych, należy usunąć antygeny komórkowe ze względu na odpowiedź immunologiczną biorcy implantu. Decelularyzacja jest przeprowadzana za pomocą kombinacji procesów fizycznych, chemicznych i enzymatycznych. Cykle zamrażania i rozmrażania lub roztwory jonowe zostały wykorzystane do lizy błon komórkowych. Następnie stosuje się traktowanie trypsyną/EDTA w celu oddzielenia składników komórkowych ECM. Detergenty rozpuszczają i usuwają cytoplazmę i jądra komórkowe. Odkomórkowiona ECM z zachowanymi czynnikami wzrostu jest wykorzystywana jako nano-rusztowanie. Odkomórkowione nano-rusztowanie ECM zapewnia właściwości mechaniczne bliższe naturalnym wartościom niż inne metody dzięki wykorzystaniu naturalnej struktury ECM.

Arkusze komórek z samoczynnie wydzielanym ECM

W podejściu opartym na arkuszu komórek komórki są wykorzystywane do wydzielania ECM do rusztowania. Komórki hoduje się aż do konfluencji na termoreaktywnym polimerze. Hydrofobowość jest wielokrotnie regulowana termicznie w celu oddzielenia wielu warstw arkuszy komórek. Możliwości ładowania tego podejścia są ograniczone ze względu na zastosowanie cienkich arkuszy komórek. Arkusze komórek z samoczynnie wydzielaną ECM zapewniają wysoką gęstość komórek i ścisłe powiązanie komórek w nano-rusztowaniu.

Struktura hydrożelu składa się z usieciowanych hydrofilowych łańcuchów polimerowych.

Kapsułkowanie komórek w samoorganizującej się matrycy hydrożelowej

Struktura hydrożelu składa się z usieciowanych hydrofilowych łańcuchów polimerowych. Półprzepuszczalna membrana lub jednorodna stała masa otaczają komórki. Do kapsułkowania komórek stosuje się naturalne i syntetyczne hydrożele . Powszechnie stosowanym źródłem polisacharydów są algi i alginian sodu. Inne wykorzystywane naturalne biomateriały to agaroza i chitozan. Syntetyczne biomateriały obejmują poli(glikol etylenowy) (PEG) i alkohol poliwinylowy (PVA). Przed inicjacją biomateriały istnieją jako ciekły monomer. Biomateriały są mieszane z komórkami. Po zainicjowaniu przez pH, temperaturę, siłę jonową lub kontrolę światła biomateriały samoorganizują się w stałą siatkę polimerową. Ponieważ komórki są mieszane przed inicjacją, pozwala to na wytworzenie konstruktu nano-rusztowania i wysianie komórek w jednym etapie. Ta metoda ma niskie właściwości mechaniczne ze względu na bardzo podatną na formowanie strukturę nano-rusztowania i nie jest idealna do zastosowań nośnych.

Metalowe nano-rusztowania

Metaliczne nanocząsteczki w polimerach zwiększają wytrzymałość mechaniczną i biokompatybilność nano-rusztowań. Miedź, złoto, tlenek żelaza, platyna, pallad, stront, tytan, cynk i ich tlenki zostały wykorzystane w zastosowaniach związanych z regeneracją tkanki kostnej. Te nanocząsteczki zostały włączone do polimerów, takich jak poli(kwas mlekowy-ko-glikolowy) (PLDA), poli(kwas L-mlekowy) (PLLA), poli(kaprolakton (PCL), kolagen, kwas hialuronowy, jedwab, alginian i fibryny Nanocząsteczki miedzi w nano-rusztowaniach wzmacniają działanie przeciwutleniające i przeciwcukrzycowe Nanocząsteczki miedzi w nano-rusztowaniach mogą stymulować angiogenezę, migrację komórek i proliferację komórek śródbłonka Nanocząsteczki złota w nano-rusztowaniach indukują różnicowanie osteogenne dzięki transdukcji sygnału od bodźców mechanicznych Nanocząstki platyny i nanocząsteczki palladu w nano-rusztowaniach zmniejszają stres oksydacyjny, co zmniejsza postęp choroby Nanocząsteczki tytanu w nano-rusztowaniach są wysoce porowate, co jest idealne do proliferacji komórek. Nanocząsteczki cynku w nano-rusztowaniach zmniejszają liczbę reaktywnych form tlenu, które są związane z uszkodzeniem implantów z powodu infekcji bakteryjnej.

Elektroprzędzenie nanowłókien

Systemy elektroprzędzenia składają się z urządzeń wysokiego napięcia, dostarczania materiału i zbierania włókien. Wysokie napięcia wytwarzają naładowany roztwór polimeru, który wychodzi z jednostki dostarczającej w postaci strumienia. Strumień roztworu polimeru jest wydłużony, a rozpuszczalnik albo odparowuje, albo krzepnie. Włókna są następnie zbierane w jednostce zbierającej. Płaskie powlekane są wykorzystywane do losowego zbierania włókien. Wirniki służą do obracania kolektora w celu zebrania ustawionych włókien. Kolektory koncentryczne służą do zbierania włókien w kształcie dysku, bębna lub stożka. W porównaniu z przypadkowymi włóknami, wyrównane włókna wzmacniają szlaki sygnałowe integryn i mają właściwości anizotropowe podobne do ECM charakteryzujących się wysokim stopniem orientacji. Włókna mogą być wytwarzane z polimerów naturalnych i syntetycznych, w tym kolagenu, żelatyny, elastyny, jedwabiu, poli(kwasu l-mlekowego) (PLLA), sklejki (kwasu glikolowego) (PGA), poli(?-kaprolaktonu) (PCL) oraz kwas poli(mlekowy-ko-glikolowy) (PLGA). Morfologia włókien wytwarzanych metodą elektroprzędzenia zmienia się w zależności od właściwości roztworu polimeru, ciśnienia hydrostatycznego, temperatury i wilgotności. Elektroprzędzenie nanowłókien może tworzyć luźno połączone porowate maty z nanowłókien, które można wytwarzać z różnymi wzorami do różnych zastosowań. Elektroprzędące nanowłókna ograniczają trójwymiarowe możliwości nano-rusztowania, co zmniejsza różnicowanie komórek i ekspresję genów. Trójwymiarowe rusztowania elektroprzędzone zostały utworzone przez ułożenie wielu warstw, a następnie zaszczepienie komórek w rusztowaniu.

fabrykacje

Dzięki nowemu postępowi w nanotechnologii istnieje wiele metod wytwarzania, które udoskonalają metody wspomniane wcześniej. Aby odpowiednio naśladować złożoność architektury natywnej tkanki i macierzy pozakomórkowej (ECM), przyjęcie nanotechnologii staje się integralną częścią produkcji implantów rusztowań.

Natryskiwacz

W 1936 roku Norton opatentował pierwsze urządzenie do przędzenia z rozdmuchem, ostatnio w 2015 roku opublikowano badania opisujące urządzenie z koncentrycznymi dyszami, w których roztwór polimeru wprowadzano do strumienia przepływającego gazu w celu utworzenia nanowłókien z polimerów, takich jak polistyren. Nowe osiągnięcia prowadzą do techniki malowania aerografem do wytwarzania nano-rusztowań.

Aerograf to technika wytwarzania włókien, która obejmuje dwa równoległe koncentryczne strumienie płynu; polimer rozpuszczony w lotnym rozpuszczalniku i sprężonym gazie, który przepływa wokół roztworu polimeru, wytwarzając włókna, które osadzają się w kierunku przepływu gazu. Ta metoda jest bardziej preferowana w porównaniu z elektroprzędzeniem ze względu na fakt, że jest tańsza i łatwiejsza w interfejsie. Ta metoda umożliwia osadzanie konforemnych włókien zarówno na płaskich, jak i niepłaskich podłożach z szybkością osadzania, która jest stosunkowo dziesięciokrotnie większa niż w przypadku elektroprzędzenia.

Podobnie jak komercyjne aerografy, technika aerografu nanowłóknistego może być stosowana do „malowania” nanowłókien na szerszym zakresie celów i do szybkiego odparowania rozpuszczalnika nośnika, zanim włókna polimerowe osadzają się na powierzchni zbierania. Chociaż ostre narażenie na wysokie stężenia rozpuszczalnika, takiego jak aceton, może być toksyczne, badania wykazały, że SBS z acetonu bezpośrednio na komórki nie wpływa na żywotność, co zapobiega problemowi biokompatybilności.

Komplikacje techniki aerografu powstają podczas tworzenia mat włóknistych z lokalnymi wiązkami włókien, co jest spowodowane różnicami morfologicznymi we włóknach i strukturach krystalicznych.

Separacja faz

W 1999 roku naukowcy (trzeba zidentyfikować) opracowali pionierską metodę tworzenia rusztowań na bazie nanowłóknistego poliestru o wysokiej porowatości i rozmiarach włókien submikronowych za pomocą metody rozdzielania faz.

Rozdzielanie faz, zwane także inwersją faz, jest techniką stosowaną do generowania porowatych rusztowań polimerowych poprzez promowanie rozdzielania roztworu polimeru na dwie fazy: fazę bogatą w polimer i fazę ubogą w polimer.

Roztwór polimeru jest napędzany do rozdzielania się faz poprzez chłodzenie lub wymianę bez rozpuszczalnika, w taki sposób, że polimer nie jest już mieszalny termodynamicznie i tworzy domeny bogate w polimer w rozpuszczalniku. Następnie rozpuszczalnik jest ekstrahowany, a rusztowanie zamrażane w celu zachowania struktury. Wreszcie, liofilizacja tworzy włókniste rusztowanie o średnicy od 50 do 500 nm (nanometrów) i zdolne do wykazywania porowatości 98,5%. Ponownie ta metoda wytwarzania jest wykorzystywana do tworzenia nanowłóknistych rusztowań z alifatycznych poliestrów.

Stosowane rozpuszczalniki obejmują THF (uzyskując najlepsze wyniki), DMF, THF/metanol, THF/aceton, dioksan/metodal, dioksan/H2O i dioksan/aceton).

Separacja faz jest bardziej zbliżona do konwencjonalnych pianek o większych rozmiarach porów, co sugeruje, że ta metoda byłaby podatna na infiltrację komórek, co czyni ją korzystną dla inżynierii tkankowej. Separacja faz może również prowadzić do wytwarzania mniejszych porów, jednak trudno jest kontrolować średnicę włóknistych ze względu na fakt, że początkowe stężenie polimeru nie prowadzi do większych średnic włókien w rusztowaniach z separacją faz.

Ta metoda wytwarzania sprzyja wzrostowi, proliferacji i różnicowaniu komórek, dzięki czemu nadaje się do stosowania jako tkanki do sztucznych narządów, sieci neuronowych, bioreaktorów, źródeł komórek i systemów dostarczania leków.

techniki STEP

W przypadku sieci nanowłókien z kontrolowanymi średnicami włókien, kontrolowanymi odstępami i orientacją poszczególnych włókien wymagane były „parametry inżynieryjne stołu obrotowego oparte na przędzarce” lub technika STEP. Podczas tej techniki mikro/nano włókna są wyciągane z wiszącej kropli roztworu i pozwalają na zbieranie bardzo wyrównanych włókien o jednakowych wymiarach na podłożu. Promuje kontrolę wymiarów włókien osadzonych w wyrównanych konfiguracjach, tworząc w ten sposób platformę do badania dynamiki komórkowej i adhezji komórkowej na rusztowaniach. Technika ta umożliwia precyzyjne rozmieszczenie i ukierunkowanie włókien w płaskie lub niepłaskie struktury przy użyciu szerokiego spektrum polimerów. Istnieje jednak trudność w uzyskaniu włókien mniejszych niż 100 nm, a także ograniczenia dotyczące materiałów lepkosprężystych stosowanych w technice STEP.

Rusztowania nanowłókniste, stworzone technikami STEP, mają szerokie zastosowanie w inżynierii tkankowej

Aplikacje

Rusztowania z kości

Do 2012 roku w Stanach Zjednoczonych ponad pół miliona ludzi otrzymuje corocznie naprawy ubytków kostnych, których koszt szacuje się na 2,5 miliona dolarów, aw ostatnich latach liczba ta podwoiła się. W Stanach Zjednoczonych kość jest jedną z najczęściej przeszczepianych tkanek, a rosnące zapotrzebowanie na przeszczepy kostne i substytuty oszacowano na 3,3 miliarda przychodów. Inwestycje w badania nad rozwiązaniami inżynierii tkankowej mają ogromny rynek, zwłaszcza w przypadku kości.

Jako tkanka rusztowania, kość odpowiada za funkcje podporowe, ochronne, nośne i hematopoetyczne. W przypadku małych defektów ludzka kość ma zdolność ciągłej przebudowy i odbudowy. Jednak ubytki o dużej skali, stany zapalne spowodowane wypadkami, infekcje i nowotwory utrudniają gojenie się kości, co wymaga interwencji z zewnątrz. Rosnący niedobór dawców, odrzucanie przeszczepów i awarie mechaniczne utrudniają znalezienie trwałych rozwiązań. Postępy w nanotechnologii umożliwiły zastosowanie druku 3D w inżynierii tkankowej do opracowania rusztowań kostnych.

Rusztowania kostne są zwykle wykonane z porowatych, biodegradowalnych materiałów, które zapewniają mechaniczne wsparcie podczas regeneracji uszkodzonej i chorej kości. Konstrukcja rusztowań przedstawia powierzchnię, która sprzyja przyczepianiu się komórek, wzrostowi i różnicowaniu, zapewniając jednocześnie porowatą sieć dla wzrostu tkanki. W przypadku ciągłego wrastania tkanki kostnej w rusztowanie kostne, połączona porowatość jest ważna, ponieważ umożliwia transport składników odżywczych i cząsteczek do wewnętrznych części rusztowania w celu ułatwienia wrastania komórek, unaczynienia, a także usuwania odpadów.

Metoda biodruku 3D została wykorzystana do wytworzenia bardziej idealnych rusztowań strukturalnych z lepszą kontrolą morfologii porów, wielkości porów i porowatości. Druk 3D może być niezbędny w przypadku rusztowań kostnych, ponieważ uwzględnia wysoki stopień porowatości wraz z wysoką wytrzymałością mechaniczną, która ma kluczowe znaczenie dla działania rusztowania kostnego.

Rusztowania mięśnia sercowego

Z drugiej strony mięsień sercowy ma moduł sprężystości zaledwie około 10 MPa, czyli o 3 rzędy wielkości mniejszy niż kość. Jednak doświadcza stałego cyklicznego obciążenia podczas pompowania serca. Oznacza to, że rusztowanie musi być zarówno wytrzymałe, jak i elastyczne, a właściwość ta została osiągnięta przy użyciu materiałów polimerowych.

Inżynieria rdzenia kręgowego

Uraz rdzenia kręgowego może być poważnie szkodliwy dla normalnej postaci i funkcjonowania ludzkiego ciała, często prowadząc do poważnej utraty funkcji motorycznych i czuciowych, która może nawet wpływać na całe ciało poniżej poziomu urazu. Liczba przypadków urazów rdzenia kręgowego na świecie wzrosła do 27,04 mln w 2016 r., gdzie każdy pacjent może kosztować gospodarkę od 1 do 5 mln USD za dany przypadek. W rezultacie istnieje znaczne zapotrzebowanie na nowatorskie rozwiązania tego problemu.

Aby zaspokoić tę potrzebę, opracowano niedawno nowe strategie inżynierii biomateriałów i tkanek, koncentrujące się głównie na formułowaniu nanorusztowań, które wypełniają lukę utworzoną w miejscu urazu i które sprzyjają proregeneracyjnemu środowisku, które pomaga w przywróceniu struktury i funkcji rdzenia kręgowego. Osiąga się to poprzez fizyczne połączenie odsłoniętych obszarów w rdzeniu kręgowym za pomocą rusztowania, a także zapewnienie korzystnego środowiska dla typów komórek regeneracyjnych, takich jak mezenchymalne komórki macierzyste i komórki Schwanna, oraz promowanie odbudowy i remielinizacji aksonów. Komórki osłonki węchowej, komórki macierzyste i inne progenitorowe komórki nerwowe odgrywają dużą rolę w tworzeniu stymulującego środowiska do celów regeneracyjnych.

W celu wytworzenia tych nanorusztowań do ich syntezy wykorzystuje się zarówno polimery naturalne, jak i syntetyczne. W przypadku naturalnych polimerów kwas hialuronowy i kolagen to dwaj z głównych kandydatów stosowanych obecnie w przemyśle. Kwas hialuronowy jest głównym składnikiem macierzy pozakomórkowej i ma zmienne właściwości w zależności od jego masy cząsteczkowej, co jest przydatne w kompensowaniu właściwości niezbędnych dla dobrego rusztowania. Kolagen jest również głównym składnikiem macierzy zewnątrzkomórkowej, przede wszystkim w ośrodkowej tkance nerwowej, gdzie ma dobrą zgodność tkankową i wspomaga adhezję i wzrost.