Нанократка

Нано-каркасы или наносколки -это медицинский процесс, используемый для возрождения ткани и костей, включая конечности и органы. Нанократка-это трехмерная структура, состоящая из полимерных волокон, очень небольших, которые масштабируются из нанометра (10 ⁻⁹ м) масштаб. Разработанные американскими военными , медицинские технологии используют микроскопический аппарат из тонких полимерных волокон, называемых каркасом. Поврежденные клетки сжимаются в каркасе и начинают восстанавливать недостающую кость и ткани через крошечные отверстия в каркасе. По мере роста ткани каркас впитывается в организм и полностью исчезает.

Нанократки также использовались для отражения сгоревшей кожи. Процесс не может выращивать сложные органы, как сердца.

Исторически исследование нанократков датируется, по крайней мере, в конце 1980-х годов, когда Саймон показал, что электроспиннинг может использоваться для получения нано- и субмикронных полимерных фиброзных каркасов, специально предназначенных для использования в качестве in vitro -субстратов. Это раннее использование электроформочных волокнистых решетков для клеточной культуры и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток будут придерживаться и пролиферировать на поликарбонатных волокнах. Было отмечено, что в отличие от сплющенной морфологии, обычно наблюдаемой в 2D-культуре, клетки, выращиваемые на электроформированных волокнах, демонстрировали более округлую трехмерную морфологию, обычно наблюдаемую из тканей in vivo .

Механизм регенерации тканей с использованием наноскродов

Нанократки очень маленькие, в 100 раз меньше человеческих волос и строятся из биоразлагаемых волокон. Использование этих лесов обеспечивает более эффективное использование стволовых клеток и более быстрое регенерацию. электросконовых изделий Нановолокна получают с использованием микроскопических труб, которые варьируются от 100 до 200 нанометров в диаметре. Они запутывают друг с другом в виде Интернета, как они производятся. Электроспиннинг позволяет управлять построением этих сетей в смысле диаметра, толщины и используемого материала трубки. Нанократки помещаются в тело на месте, где будет происходить процесс регенерации. После инъекции стволовые клетки добавляются в леса. Стволовые клетки, которые прикреплены к каркасу, как показано, более успешны в адаптации к окружающей среде и выполнению задачи регенерации. Нерв заканчивается в теле прикрепляется к лесам, переплетая между отверстиями. Это заставит их выступать в качестве моста для соединения отрубленных участков. Со временем строительные леса растворяются и безопасно выходят из организма, оставляя здоровые нервы на своем месте.

Эта технология представляет собой комбинацию исследований стволовых клеток и нанотехнологий . Способность восстановить поврежденные нервы является самой большой проблемой и призом для многих исследователей, а также огромным шагом для медицинской области. Это позволило бы врачам восстановить нервы, поврежденные в результате чрезвычайной аварии, например, ожоги третьей степени. Технология, однако, все еще находится в зачаточном состоянии и до сих пор не способна регенерировать сложные органы, как сердце, хотя ее уже можно использовать для создания кожи, костей и ногтей. Было показано, что нано -каркасы в четыре -семь раз более эффективны для поддержания живых стволовых клеток в организме, что позволило бы им выполнять свою работу более эффективно. Эта технология может быть использована для сохранения конечностей, которые в противном случае нуждались в ампутации. Наносколлы обеспечивают большую площадь поверхности для получения материала, а также с изменчивыми химическими и физическими свойствами . Это позволяет им применить во многих различных типах технологических областей.

Фон

Тканевая инженерия

Тканевая инженерия состоит из использования клеток, каркасов и различных методов тканевой архитектуры для восстановления, замены и регенерации поврежденной ткани тела.

Тканевая инженерия состоит из использования клеток, каркасов и различных методов тканевой архитектуры для восстановления, замены и регенерации поврежденной ткани тела. Цель тканевой инженерии - восстановить, заменить или регенерировать поврежденную ткань тела. Нанократки вместе с клетками и сигналами фактора роста используются в приложениях тканевой инженерии. Применение тканевой инженерии предназначено для преодоления препятствий, связанных с аллотрансплантацией , которые включают недоступные доноры, сложные операции и послеоперационную помощь. В 2015 году глобальный рынок тканевой инженерии оценивался в 23 миллиарда долларов и, как ожидается, достигнет 94,2 млрд долларов к 2022 году. Ожидание быстрого роста было связано с увеличением нарушений костей и суставов, при этом регенеративные лекарства скелетно -мышечной двигатели составляли 26,4% рынка регенеративной медицины.

Внеклеточный матрикс

Большинство клеток человека в тканях привязаны к твердому внеклеточному матриксу (ECM). Компоненты ECM варьируются между различными типами тканей тела. ECM действует как естественные «леса». ECM имеет пять основных функций:

1. Обеспечить клеточную поддержку и микросреду, необходимые для обеспечения роста, миграции и реакции сигнала.
2. Обеспечить механические свойства ткани, такие как жесткость и эластичность. Эти свойства варьируются, чтобы обеспечить определенные функции ткани.
3. Предоставьте биологически активные регуляторы для запуска ответов клеток.
4. Обеспечить резервуар для клеточных факторов роста для усиления клеточных реакций.
5. Обеспечить разлагаемую физическую среду для приспособления к ремоделированию ECM в ответ на развитие, физиологические и патологические входы во время тканевых процессов.

Целью нано-раскатки состоит в том, чтобы имитировать функции ECM, чтобы стимулировать восстановление, замену и регенерацию тканей. Как вариации ECM между типами тканей, так и сложностью ECM затрудняют мимику нанократка.

Нанократка

Чтобы имитировать ECM, нано-раскалопод следует за четырьмя основными функциями и функциями:

1. Архитектура: должна обеспечить образование пустого пространства для формирования новой ткани. Биоматериалы для нанократков должны быть пористыми, чтобы обеспечить транспортировку питательных веществ в ткани внутри конструкции. Тем не менее, несмотря на пористую архитектуру, нано-каркасолд должен быть достаточно сильным, чтобы противостоять физиологической нагрузке.
2. Совместимость с цито- и тканями: нанократки должны поддерживать прикрепление клеток, рост и дифференцировку перед имплантацией in vitro и после имплантации in vivo .
3. Биоактивность: биоматериалы в нанократке должны облегчить и регулировать активность клеток и ткани, как в природной ткани хозяина.
4. Механическое свойство: должно обеспечить форму и стабильность поврежденной ткани. Механические свойства нанократки определяют дифференцировку, морфологию и характеристики клеток, благодаря способности клеток ощущать жесткость субстрата.

Подход

Существует четыре основных подхода на нанократке, которые включают готовые пористые каркасы для посева клеток, децеллеляризованные ECM из аллогенных или ксеногенных тканей для посева клеток, клеточных листов с саморекретной ECM и клеточной инкапсуляцией в матрице гидрогеле. Каждый подход содержит различные материалы, методы изготовления и полученные механические свойства. В дополнение к этим четырем подходам были исследованы металлические наночастицы для улучшения механических свойств нанократков. Нановолокно электроспиннинг является еще одним методом изготовления для наноэкразинга.

Готовые пористые каркасы для посева клеток

Широкий спектр биоматериалов нанократки использовался для готовых пористых каркасов для посева клеток. Эти биоматериалы могут быть классифицированы как естественные или синтетические. Природные биоматериалы получают из природных источников, которые включают, но не ограничиваются, ECM из аллотрансплантатов или ксенотрансплантатов, фосфатов кальция и органических полимеров, таких как белки, полисахариды, липиды и полинуклеотиды. Природные биоматериалы увеличивают биосовместимость наноскоростных каркасов, но ограничивают физическую и механическую стабильность. Природные биоматериалы рискуют негативным иммунным ответом у хозяина имплантации из -за аллогенного или ксеногенного источника. Синтетические биоматериалы могут быть подклассифицированы как органические или неорганические. По сравнению с естественными, синтетические биоматериалы легче адаптировать к различной твердости ткани и, следовательно, применимы к более широкому разнообразию тканей. Синтетические биоматериалы менее биосовместимы и приводят к снижению прикрепления и роста клеток. Поверхностные и объемные свойства могут быть изменены в синтетических биоматериалах в попытке увеличить биосовместимость поверхности.

Различные методы изготовления были использованы для изготовления пористого каркаса, таких как порогены в биоматериалах, твердое свободное форма или быстрое прототипирование, и использование тканых или нетканых волокон. Для использования порогенов в биоматериале нанократки твердые материалы в твердых телах или растворенные в растворителях объединяются с порогеном. Порогены включают углекислый газ, воду и парафин. Один из них изготовлен биоматериал, порогены удаляются такими методами, как сублимация, испарение и плавление. Следовательно, когда снимаются поригенов, пористый каркас остается позади с пор. Для изготовления с твердым свободным или быстрым прототипированием были использованы такие методы, как лазерное спекание, стереолитография и 3D-печать. Эти методы используют свет или теплообмен для связи или сшивают используемый биоматериал. Сшивание обеспечивает повышенную прочность материала. Техника изготовления, использующая тканые и нетканые волокнистые конструкции, обеспечивает пористую структуру, когда волокна связаны с тепловой энергией. Электроспиннинг используется путем применения высоких напряжений в растворе полимера. Спиннинг -волокно формируется, когда электростатические силы превосходят силы в растворе полимера. Метод готового пористого леса позволяет создавать определенную структуру. При изготовлении, позволяющей образовать сложную структуру, нанократки, использующие этот метод, могут быть настроены, чтобы напоминать конкретные ECM ткани.

Децеллеляризованный ECM из аллогенных и ксеногенных тканей для посева клеток

Децеллеляризованные ECM из аллогенных и ксеногенных тканей были использованы в тканевой инженерии для сердечных клапанов, сосудов, нервов, сухожилий и связок. Чтобы использовать ECM из аллогенных или ксеногенных тканей, клеточные антигены должны быть удалены из -за иммунного ответа реципиента имплантата. Децеллеляризация проводится с помощью комбинации физических, химических и ферментативных процессов. Циклы замораживания-оттаивания или ионные растворы были использованы для клеточных мембран Lyse. Трипсин/ЭДТА затем используются для отдельных компонентов клеток ECM. Моющие средства растворяют и удаляют клеточную цитоплазму и ядра. Децеллеляризованный ECM с сохранившимися факторами роста используется в качестве нанократчика. Децеллеляризованные нанократки ECM обеспечивают механические свойства ближе к естественным значениям, чем другие методы, из-за использования естественной структуры ECM.

Клеточные листы с самовосстаженным ECM

В подходе клеток ячейки используются для выделения ECM для лесов. Клетки культивируются до слияния термореактивного полимера. Гидрофобность неоднократно термически регулируется, чтобы отделить множество клеточных слоев. Возможности загрузки этого подхода ограничены из -за использования тонких клеточных листов. Клеточные листы с саморекретным ECM обеспечивают высокую плотность клеток и жесткую ассоциацию клеток в нано-каркасе.

Структура гидрогеля состоит из сшитых гидрофильных полимерных цепей.

Клеточная инкапсуляция в самоорганизованной гидрогелевой матрице

Структура гидрогеля состоит из сшитых гидрофильных полимерных цепей. Полупроницаемая мембрана или гомогенная твердая масса инкапсулирует клетки. Природные и синтетические гидрогели используются для инкапсуляции клеток. Альгинат водоросли и натрия обеспечивают обычно используемый источник для полисахаридов. Другие природные биоматериалы включают агарозу и хитозан. Синтетические биоматериалы включают поли (этиленгликоль) (PEG) и поливиниловый спирт (PVA). До начала биоматериалы существуют как жидкий мономер. Биоматериалы смешаны с клетками. После начала pH, температуры, ионной прочности или контроля света биоматериалы самим в твердую полимерную сетку. Поскольку клетки смешиваются до инициации, это позволяет изготовить нанокрасную конструкцию и посев клеток за один шаг. Этот метод содержит низкие механические свойства из-за высоко формируемой структуры нанократка и не идеально подходит для нагрузки.

Металлические нанократки

Металлические наночастицы в полимерах увеличивают механическую прочность и биосовместимость нанократков. Медь, золото, оксид железа, платина, палладий, стронций, титан, цинк и их оксиды использовались в регенеративных применениях костной ткани. Эти наночастицы были включены в полимеры, такие как поли (лактик-коликолевая кислота) (PLDA), поли (L-лактановая кислота) (PLLA), поли (капролактон (PCL), коллаген, гиалуроновая кислота, шелк, альгинат и фибрин. Из механических стимулов. Покрытие. Наночастицы цинка в рамках нанократки уменьшают количество активных форм кислорода, которые связаны с неспособностью имплантатов из-за бактериальной инфекции.

Нано-волокно электроспиннинга

Системы электроспиннинга состоят из мощности высокого напряжения, доставки материалов и единиц сбора волокон. Высокие напряжения производят заряженный полимерный раствор, который выходит из блока доставки в форме струй. Самолет раствора полимера удлинен, а растворитель либо испаряется, либо затвердевает. Волокна затем собираются в блоке сбора. Плоские покрытия используются для случайного сбора волокон. Роторы используются для поворота коллекционера для сбора выровненных волокон. Концентрические коллекционеры используются для сбора волокон в форме диска, барабана или конуса. По сравнению со случайными волокнами, выровненные волокна усиливают сигнальные пути интегрина и содержат анизотропные свойства, сходные с ECM, характеризующимися высокими степенями ориентации. Волокна могут быть изготовлены из натуральных и синтетических полимеров, включая коллаген, желатин, эластин, шелк, поли (L-лактановая кислота) (PLLA), уловка (гликолевая кислота) (PGA), поли (ԑ-капролактон) (PCL) и и Поли (лактик-ко-гликолический) кислота (PLGA). Морфология волокон, изготовленных с помощью электроспиннинга, варьируется в зависимости от свойств раствора полимера, гидростатического давления, температуры и влажности. Электроспиннинг нановолокна может создавать слабо связанные пористые нановолокнистые маты, которые могут быть изготовлены с помощью различных схем для различных применений. Нановолокны электроспиннинга ограничивают трехмерные возможности нанократки, что уменьшает дифференцировку клеток и экспрессию генов. Трехмерные электроформированные каркасы были созданы путем укладки нескольких слоев, а затем посев клеток в каркасе.

Изготовления

С новым прогрессом в нанотехнологиях существует множество методов изготовления, которые улучшаются при упомянутых ранее методах. Чтобы надлежащим образом подражать сложности нативной ткани и архитектуры внеклеточного матрикса (ECM), принятие нанотехнологий становится неотъемлемой частью производства каркаса.

Аэрограв

В 1936 году Norton запатентовал первое прядильное устройство, в последнее время в 2015 году было опубликовано исследование с описанием устройства с концентрическими соплами, где полимерное решение было вставлено в поток плавного газа, чтобы сформировать нано Хволки из полимеров, таких как полистирол. Новые разработки приводят к технике аэрографии для изготовления нанократков.

Аэрография - это метод изготовления волокна, которая включает в себя два параллельных концентрических потока жидкости; Полимер растворяется в летучим растворителе, и газ под давлением, который течет вокруг раствора полимера, генерируя волокна, которые осаждаются в направлении потока газа. Этот метод более предпочитается по сравнению с электроспиннинг из -за того, что он дешевле и его легче разоблажать. Этот метод обладает возможностью откладывать конформные волокна как на планарные, так и непланарные субстраты с скоростью осаждения, которая в десять раз быстрее, чем электроспиннинг.

Точно так же, как коммерческие аэрографии, нановолокнистая техника аэрографии может быть использована для «нановолокон» на более обширном диапазоне целей и для быстрого испарения растворителя -носителя, прежде чем полимерные волокны откладывают на поверхность сбора. Хотя острое воздействие высоких концентраций растворителя, таких как ацетон, может быть токсичным, исследования показали, что SB -от ацетона непосредственно на клетки не влияли на жизнеспособность, что привело к предотвращению проблемы биосовместимости.

Осложнение техники аэрографии возникает при формировании волоконных матов с местными пучками волокна, это вызвано морфологическими различиями в волокнах и кристаллических структурах.

Фазовое разделение

В 1999 году исследователи (необходимость идентифицировать) впервые разработали метод, создавая каркасы на основе наноколодочных полиэфиров с высокой пористостью и субмикронными волокнами с помощью метода фазового разделения.

Фазовое разделение, также называемое фазовой инверсией, представляет собой метод, который использовался для генерации каркасных каркасов пористых полимеров путем стимулирования разделения полимерного раствора на две фазы: богатая полимером фаза и фаза с полимером.

Раствор полимера приводит к отделению по фазам посредством охлаждения или обмена нерастворителями, таким образом, что полимер больше не является термодинамически недоступным и образует богатые полимерами домены в растворителе. Затем растворитель извлекается, а каркас заморожен для поддержания структуры. Наконец, лиофилизация образует волокнистый каркас диаметром от 50 до 500 нм (нанометры) и способен проявлять 98,5% пористость. Опять же, этот метод изготовления используется для создания нановолодочных каркасов из алифатических полиэфиров.

Используемые растворители включают THF (разработка наилучших результатов), DMF, THF/метанол, THF/ацетон, диоксан/метод, диоксан/H2O и диоксан/ацетон).

Фазовое разделение приближается к обычным пенам с большими размерами пор, подразумевая, что этот метод будет подвержен инфильтрации клеток, что делает его благоприятном для тканевой инженерии. Разделение фазы также может привести к тому, что меньшие поры получают, однако существует трудности с контролем диаметра. волокнистых из -за того, что начальная концентрация полимера не приводит к большим диаметрам волокна в разделенных фазе каркасах.

Этот метод изготовления способствует росту, пролиферации и дифференцировке клеток, что делает его подходящим для использования в качестве тканей для искусственных органов, нейронных сетей, биореакторов, клеточных источников и систем доставки лекарств.

Ступенчатые методы

«Инженерные параметры на основе Spinneret» или метод шага была необходима для сетей нановолокна с контролируемыми диаметрами волокна, контролируемым расстоянием и для ориентации отдельных волокон. Во время этой техники микро/нано -волокна вытягиваются из капли подвесного решения и позволяют собирать высоко выровненные волокна равномерных размеров на подложке. Он способствует контролю над размерами волокон, нанесенных в выровненных конфигурациях, создавая тем самым платформу для исследования клеточной динамики и клеточной адгезии на каркасах. Техника обеспечивает точное расстояние и ориентацию волокон в плоские или неплостные структуры, используя широкий спектр полимеров. Тем не менее, существует трудность в получении волокон меньше 100 нм, а также ограничение вязкоупругих материалов, используемых в технике этапа. 

Нановодоточные каркасы, созданные из методов поэтапных технологий, имеют возможность использовать для широкого спектра применений в тканевой инженерии

Приложения

Костные каркасы

К 2012 году США более полумиллиона человек получают ремонт дефектов костей ежегодно с предполагаемой стоимостью 2,5 миллионов долларов и удвоились в последние годы. В США кость является одной из наиболее трансплантированных тканей, и растущая потребность в костных трансплантатах и ​​заменителях оценивалась в 3,3 миллиарда доходов. Инвестиции в исследования в тканевые инженерные растворы имели массовый рынок, особенно для кости.

В качестве ткани лесов кость отвечает за поддержку, защиту, нагрузку и гематопоэтические функции. Для небольших дефектов человеческая кость обладает способностью постоянно реконструировать и перестраиваться на себя. Однако крупномасштабные дефекты, воспаления, вызванные несчастными случаями, инфекциями и опухолями, затрудняют заживление кости, требуя внешних вмешательств. Растущая нехватка доноров, отказ от трансплантации и механическая сбой затрудняли наличие длительных решений. Достижения в нанотехнологии позволили применять 3D -печать в тканевой инженерии для разработки костных каркасов.

Костяные каркасы обычно изготовлены из пористых биоразлагаемых материалов, которые обеспечивают механическую поддержку во время восстановления поврежденной и больной кости. Конструкция каркасов представляет собой поверхность, которая способствует прикреплению клеток, росту и дифференцировке, обеспечивая при этом пористую сеть для роста тканей. Для непрерывного роста костной ткани важна взаимосвязанная пористость, поскольку она может позволить питательным веществам и молекулам транспортироваться во внутренние части каркаса, чтобы облегчить рост клеток, васкуляризацию, а также удаление отходов.

Метод трехмерного биопринтирования использовался для изготовления более идеальных структурных каркасов с лучшим контролем морфологии пор, размера пор и пористости. 3D -печать может быть важна для костяных каркасов, поскольку она учитывает высокую степень пористости вместе с высокой механической прочностью, что имеет решающее значение для выполнения костей.

Сердечные каркасы

Сердечная мышца, с другой стороны, имеет упругой модуль всего около 10 МПа, на 3 порядка меньше кости. Тем не менее, он испытывает постоянную циклическую нагрузку в качестве сердечного насоса. Это означает, что каркас должен быть как жестким, так и эластичным, свойство, достигнутое с использованием полимерных материалов.

Спинной мозг

Повреждение спинного мозга может серьезно нанести ущерб нормальной форме и функции в организме человека, часто приводит к серьезной потере моторной и сенсорной функции, которая может даже повлиять на все тело ниже уровня травмы. Число случаев глобальных травм спинного мозга выросло до 27,04 млн. В 2016 году, когда каждый пациент может стоить экономике с 1 до 5 миллионов долларов за данное дело. В результате существует значительная потребность в новых решениях для решения этой проблемы.

Недавно были разработаны новые стратегии биоматериала и тканевой инженерии для удовлетворения потребностей, в основном сосредоточившись на формулировании наноскродов, которые заполняют разрыв, созданный в месте травмы, и которые способствуют прорегенеративной среде, которая помогает облегчить восстановление структуры и функции спинного мозга. Это достигается путем физического соединения открытых областей в спинном мозге через каркас, а также обеспечивая благоприятную среду для регенеративных клеток, таких как мезенхимальные стволовые клетки и клетки Шванна, и для стимулирования восстановления и ремиелинизации аксонов. Обонятельные клетки, стволовые клетки и другие нейронные клетки, играют большую роль в создании стимулирующей среды для регенеративных целей.

Чтобы сделать эти наноскроды, при их синтезе используются как натуральные, так и синтетические полимеры. Для природных полимеров гиалуроновая кислота и коллаген являются двумя из основных кандидатов, используемых сегодня в промышленности. Гиалуроновая кислота является основным компонентом внеклеточного матрикса и обладает различными свойствами в зависимости от его молекулярной массы, что полезно для компенсации свойств, необходимых для хорошего каркаса. Коллаген также является основным компонентом внеклеточного матрикса, что наиболее важно в центральной нервной ткани, где он имеет хорошую гистосовместимость и поддерживает адгезию и рост.