Скаффолды обеспечивают семенным клеткам место для роста, размножения, метаболизма и обмена материалами, и могут эффективно контролировать положение роста пересаженных клеток: скаффолды могут направлять регенерацию тканей, а их размер и форма оказывают важное влияние на структуру и функцию тканей; скаффолды могут обеспечивать механическую поддержку новорожденным тканям, противостоять внешнему давлению, поддерживать первоначальную форму и целостность тканей; кроме того, скаффолды могут также служить в качестве активного вещества. Кроме того, строительные леса могут выступать в качестве носителей активных факторов, замедляя высвобождение некоторых биологически активных веществ, таких как факторы роста, и одновременно способствуя росту, пролиферации и дифференциации клеток.
Исследование и разработка материалов для строительных лесов является ключом к тканевой инженерии. В данной статье рассматриваются текущие результаты исследований по тканеинженерным сухожилиям с акцентом на клеточные строительные леса, представлены характеристики идеальных строительных лесов, разработка материалов для строительных лесов и разработка процессов производства строительных лесов, а также обеспечение наиболее подходящей среды обитания для клеток сухожилий путем комплексного рассмотрения строительных лесов, посевных клеток и факторов роста, так что тканеинженерные сухожилия станут идеальным и надежным методом восстановления дефектов сухожилий.
Дефекты сухожилий являются одним из наиболее распространенных клинических состояний. Повреждения сухожилий, которые не были своевременно устранены, часто приводят к дисфункции конечности или даже к инвалидности. Поэтому хирургическое восстановление и функциональная реконструкция повреждений или дефектов сухожилий является одной из наиболее важных тем исследований в хирургической хирургии.
Травмы сухожилий можно разделить на две основные категории: недефектные и дефектные. Для дефектных сухожилий существуют следующие методы лечения:
1) Аутологичная пересадка сухожилий для восстановления дефектов сухожилий;
2) аллогенная пересадка сухожилий;
3) аллогенные сухожильные трансплантаты; 4) искусственные заменители сухожилий. С развитием технологии клеточных культур и трансплантации, а также науки о биоматериалах, новый идеальный заменитель сухожилия — тканеинженерное искусственное сухожилие — окончательно решит проблему восстановления дефектных сухожилий.
1. характеристики тканеинженерных клеточных скаффолдов для сухожилий
Идеальный трансплантат in vivo должен отвечать следующим требованиям.
(1) Материал клеточного каркаса должен быть нетоксичным и обладать хорошей биосовместимостью;
(2) Материал должен быть биоразлагаемым, способным постепенно разлагаться и метаболизироваться in vivo по мере размножения клеток, а затем поглощаться;
(3) Продукты деградации материала должны быть нетоксичными, обладать хорошей биосовместимостью и не оказывать негативного воздействия на ткани и организм;
(4) Материал должен обладать хорошими технологическими свойствами и быть пригодным для переработки в желаемую форму и структуру;
(5) Леска должна иметь открытую структуру пор, а размер пор должен соответствовать определенным требованиям;
(6) Скаффолд должен быть той же формы и размера, что и ткань или орган, подлежащие регенерации или восстановлению;
(7) Скаффолд должен обладать хорошим клеточным сродством, пригодным для клеточной адгезии, пролиферации и выделения матрикса;
(8) Леса должны обладать определенными механическими свойствами, включая прочность, гибкость и т.д.;
(9) Леска должна быть способна выдерживать стерилизацию без физических, химических или биологических изменений, действующих в обычных условиях стерилизации;
(10) Скаффолд должен не только сохранять свою форму во время операций с клеточной культурой, но и выдерживать хирургические операции в имплантируемом теле, чтобы гарантировать, что он не сломается во время операции, прилегает к телу и не образует механических повреждений тканей тела.
2. Материалы строительных лесов
2.1 Коллаген
Коллаген является основным компонентом внеклеточного матрикса (ECM); он может быть извлечен из костей и фасций животных с помощью ряда процессов, таких как кипячение и гидролиз. В ходе своей эволюции коллаген сохранил свою первоначальную аминокислотную последовательность, что делает его неантигенным, in vivo биосовместимым и проницаемым материалом для строительных лесов; а поскольку ткань сухожилий состоит в основном из толстых пучков коллагеновых волокон, расположенных параллельно, их ориентация соответствует силе тяги, которой они подвергаются.
Коллагеновые волокна прочны и устойчивы к растяжению; кроме того, они содержат собственные сигнальные последовательности клеточной адгезии, которые направляют клетки к специфическому распознаванию материала скаффолда; коллагеновые волокна прочны и устойчивы к растяжению; метод приготовления был разработан в течение многих лет, хорошо отработан и коммерчески доступен, и был одобрен FDA для успешного использования в качестве внеклеточного матричного скаффолда для тканеинженерных сухожилий. Bellincampi et al. использовали аутологичные клетки сухожилия, инокулированные в коллагеновый скаффолд и имплантированные в коленный сустав и подкожно кроликам, и комплекс был все еще виден через 8 недель. Они обнаружили, что сухожилия, обработанные МСК, были толще и имели лучшую сборку коллагеновых волокон, характеристики сустава и нагрузочные свойства по сравнению с контрольной группой.
Award использовал коллаген I типа в качестве скаффолда и имплантировал обратно в аутологичный дефект сухожилия, а контрольной группе имплантировали обратно только коллаген I типа. Через 4 недели биомеханический эффект экспериментальной группы оказался значительно лучше, чем у контрольной группы, но при гистологическом исследовании не было существенной разницы с контрольной группой.
2.2 Фибронектин (ФН)
Он содержится в основном во внеклеточном матриксе (т.е. клеточный тип), а также в крови (так называемый плазменный тип) и относится к группе гликопротеинов. Являясь основным компонентом внеклеточного матрикса, FN играет важную роль во многих биологических процессах, таких как клеточная адгезия, пролиферация и дифференцировка клеток, формирование цитоскелета и апоптоз, а также участвует в многочисленных патологических процессах в организме, включая заживление ран и воспаление.
Гели фибрина — это трехмерные сетчатые гели, обладающие пластичностью, адгезией, деградируемостью и биосовместимостью, образующиеся в результате полимеризации мономеров фибрина под действием тромбина, который замедляет агрегацию тромбина и, следовательно, его превращение из жидкости в гель, обеспечивая достаточное время для формирования геля. В процессе полимеризации фибриновый гель высвобождает тромбоцитарный фактор роста (ТФР F) и трансформирующий фактор роста β (ТГ F-β), которые оказывают хемотаксическое и митогенное действие и в дальнейшем способствуют пролиферации клеток, адгезии и секреции матрикса. Однако он не обеспечивает достаточной механической прочности, что является общим недостатком природных биоматериалов, и его использование ограничено тем, что он происходит из крови, которую трудно получить.
2.3 Полифосфатное волокно кальция (CPFF)
CPFF изготавливается из дигидрогенфосфата кальция или метафосфата кальция в качестве основного сырья. Изготавливается путем высокорастворного нанесения на волокнистый неорганический материал. Он имеет волокнистый внешний вид и механические свойства, сходные с углеродными волокнами, но его гистосовместимость и разлагаемость значительно лучше, чем у углеродных волокон, и в будущем он может стать новым материалом, идеальным для создания композитных скаффолдов для тканевой инженерии сухожилий. Changqing et al [5] экспериментально продемонстрировали, что. Он разлагается в водном растворе in vitro. Процесс деградации — это гидролиз. а не ферментативной деградации. Результаты эксперимента показали, что CPPF полностью разлагается in vivo примерно за 16-20 недель. Волокна также могут быть подвергнуты контролируемой деградации путем регулирования соотношения компонентов синтетического сырья.
2.4 Поли-альфа-гидроксикислоты
Полиальфа-гидроксикислоты включают полимолочную кислоту (PLA), полигидроксиуксусную кислоту (PGA) и их сополимеры PLGA, PDLA, PLLA, PDLLA, которые имеют три основные структурные формы (волокнистые каркасы, пористые пены, трубчатые структуры); продуктами деградации PLA и PGA являются молочная кислота и гидроксиуксусная кислота соответственно, которые являются промежуточными метаболитами трисахаридного цикла. Обладая хорошей биоразлагаемостью и совместимостью, они не вызывают воспалительных, иммунных или цитотоксических реакций и на сегодняшний день являются наиболее широко используемыми биоразлагаемыми биоматериалами, которые широко применяются для тканевой инженерии костей, хрящей, кровеносных сосудов, нервов и кожи.
Cao et al [7] инокулировали клетки сухожилий, полученные из тканей сухожилий телячьего плеча и колена, на шнуроподобный ПГА сетчатый скаффолд и имплантировали его под кожу мышей nude после одной недели культуры in vitro и обнаружили, что через 12 недель могли быть сформированы ткани сухожилий, похожие на нормальную структуру сухожилий с определенной степенью биомеханических свойств. Позже C ao et al [7] использовали аутологичные сухожильные клетки + PGA + биопленку для восстановления 4-сантиметрового дефекта сухожилия в мышце Leghorn и обнаружили, что имплантированное тканеинженерное сухожилие было похоже на нормальное сухожилие только по общей морфологии и гистологии, а его биомеханические свойства составляли 83% от свойств нормального сухожилия.
PLGA, сополимер PLA и PGA, не только обладает хорошей биосовместимостью и может вызывать сверхрегулируемую транскрипцию определенных генов, но его скорость деградации также можно контролировать, изменяя соотношение PLA и PGA, и сочетает высокую скорость деградации PGA с высокой прочностью PLA, поэтому PLGA также может быть использован в качестве клеточного каркаса для искусственных сухожилий.
Ouyang и Goh et al. также использовали поли(молочная-гликолевая кислота) [PLGA] в качестве скаффолда и имплантировали его обратно в дефект аутологичного сухожилия размером 10 мм, в то время как контрольной группе имплантировали только PLGA, и через 4 недели содержание клеток значительно уменьшилось по сравнению с 2 неделями, и образовались волокна коллагена I и III типа, и Через 8 недель материал в значительной степени деградировал; через 12 недель дефект был хорошо восстановлен без лимфоцитарной инфильтрации, а биомеханическая прочность экспериментальной группы была значительно выше, чем у контрольной группы, приближаясь к показателям нормального сухожилия. Это согласуется с предыдущими исследованиями Rodkey и др. и Sato и др., использовавших PGA/Dacron в качестве скаффолда.
3. Outlook
Тканеинженерные клеточные скаффолды являются ключевым направлением и сложной областью исследований в Отделе тканевой инженерии. Без подходящего скаффолда семенные клетки будут потеряны и погибнут. Материалы тканевых инженерных лесов должны обладать хорошей биосовместимостью, биоразлагаемостью, трехмерной структурой и пластичностью со значительной механической прочностью в дополнение к хорошей поверхностной активности, чтобы облегчить адгезию посевных клеток и обеспечить хорошее микроокружение для клеток, чтобы расти и размножаться на его поверхности и выделять матрикс.
Для сухожилий тканеинженерные скаффолды в настоящее время более изучены как натуральные материалы, синтетические материалы и композитные материалы. Природные материалы, такие как коллаген, обладают хорошей биосовместимостью, но страдают от плохих механических свойств, слишком быстрой деградации и плохих свойств обработки и формовки; синтетические материалы, такие как биокерамика и полимеры, имеют низкую скорость деградации, кислотные продукты деградации вызывают воспалительные реакции и небольшие механические свойства; эти проблемы могут быть решены с помощью принципа и метода композитных материалов, то есть двух или более биологических материалов с взаимодополняющими характеристиками, в определенном соотношении и способом. Эти проблемы могут быть решены с помощью принципа и метода композитов, когда два или более биологических материала с взаимодополняющими свойствами комбинируются в определенном соотношении и способом, с целью создания нового композитного материала, который может соответствовать заданным требованиям.
Тканевая инженерия сухожилий предъявляет высокие требования к материалам скаффолдов, и разработка композитных материалов будет оставаться актуальным направлением будущих исследований. Необходимы дальнейшие исследования в области процесса подготовки, дизайна и оптимизации сочетания свойств, что является одним из основных направлений будущего развития тканеинженерных материалов.