Poli(sebacynian glicerolu) w inżynierii tkankowej
Yadong Wang1, Steven Lu2, Peter Gabriele2, Jeremy J. Harris2
1Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261 USA, 2Research and Development, The Secant Group, LLC, Telford, PA 18969 USA
Material Matters, 2016, 11.3
Wprowadzenie
Świat komercyjnych biomateriałów uległ stagnacji w ciągu ostatnich 30 lat, ponieważ niewiele materiałów z powodzeniem przeszło z laboratorium do zastosowań klinicznych. Syntetyczne alifatyczne poliestry nadal dominują w dziedzinie resorbowalnych biomateriałów ze względu na ich długą historię i historię zatwierdzenia przez Amerykańską Agencję ds. Pomimo wielu badań mających na celu opracowanie biokompatybilnych, biodegradowalnych polimerów, nowe biomateriały cierpiały z powodu niedopasowania zgodności, tj. braku skutecznego naśladowania właściwości mechanicznych naturalnej tkanki. Aby rozwiązać te problemy, w laboratorium profesora Roberta Langera opracowano poli(sebacynian glicerolu) (PGS) jako wytrzymały, biodegradowalny elastomer.1 Od czasu tego odkrycia społeczność inżynierii biomedycznej wykorzystała PGS w wielu implantach w obszarach sercowo-naczyniowych, nerwowo-naczyniowych, ortopedycznych i tkanek miękkich.2
PGS jest prostym polimerem glicerolowo-estrowym stworzonym z podstawowych metabolitów glicerolu i kwasu sebacynowego ssaków, z których oba mają regulacyjne tło z FDA.1 Pierwotnie zaprojektowany jako biodegradowalny polimer o ulepszonych elastycznych właściwościach mechanicznych i biokompatybilności, badania nad zastosowaniami medycznymi opartymi na PGS ujawniły szereg unikalnych właściwości, które zwiększyły jego użyteczność jako biomateriału. Oprócz elastyczności, PGS wykazuje minimalny obrzęk, ulega degradacji powierzchniowej i wykazuje łagodne ostre i przewlekłe reakcje zapalne in vivo. Chociaż większość badaczy stosuje termoutwardzalną formę elastomeru PGS, polimer ten można dostosować za pomocą kontinuum form żywicy. W zależności od stopnia polimeryzacji, PGS może być wytwarzany w postaci miękkiego żelu, smarownej pasty podobnej do wazeliny®, tworzywa termoplastycznego lub termoutwardzalnego, w zależności od zastosowania. Poprzez manipulację różnymi morfologiami, PGS może być również formułowany jako powłoka dla szeregu implantów medycznych i wytłaczany w struktury luminalne, arkusze, pręty i inne kształty geometryczne. Co więcej, polimer jest kompatybilny z wieloma materiałami biologicznymi, takimi jak kolagen, minerały kostne i kompozycje podobne do macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), co czyni go idealnym materiałem bioresorbowalnym dla inżynierii tkankowej, zastosowań medycyny regeneracyjnej i przemysłu urządzeń biomedycznych.
Poly(glycerol Sebacate)
Projekt i struktura
Obecne zainteresowanie bioelastomerami w inżynierii tkankowej wynika głównie z potrzeby naprawy tkanek miękkich. PGS został stworzony specjalnie do inżynierii tkanek miękkich w dynamicznych środowiskach mechanicznych, takich jak układ sercowo-naczyniowy.1 Wykonany z glicerolu i kwasu sebacynowego w procesie polikondensacji, wiązania estrowe w szkielecie polimeru kowalencyjnie sieciują się, tworząc trójwymiarową (3D) sieć losowych zwojów, która przypomina strukturę wulkanizowanej gumy i zapewnia elastyczność podobną do gumy (Rysunek 1). Interakcje wiązań wodorowych między grupami hydroksylowymi dodatkowo poprawiają właściwości mechaniczne PGS. Ze względu na wiązania estrowe, zarówno szkielet polimeru, jak i wiązania krzyżowe mogą ulegać degradacji hydrolitycznej.
Rysunek 1.Schemat reakcji poli(sebacynianu glicerolu). PGS jest syntetyzowany z glicerolu i kwasu sebacynowego, a następnie utwardzany pod wpływem ciepła i próżni w celu wytworzenia usieciowanego termoutwardzalnego PGS.
Synteza i właściwości mechaniczne
PGS jest syntetyzowany poprzez reakcję polikondensacji między glicerolem i kwasem sebacynowym, tworząc najpierw żywicę prepolimerową, która jest następnie przekształcana w termoutwardzalny elastomer. W szczególności oba materiały wyjściowe są niedrogie i można je uzyskać z zasobów odnawialnych; kwas sebacynowy, na przykład, pochodzi z oleju rycynowego.3 Synteza PGS wykorzystuje również przyjazną dla środowiska chemię bez potrzeby stosowania toksycznych rozpuszczalników lub katalizatorów, co skutkuje syntetycznym biomateriałem poprzez ogólną zrównoważoną syntezę. W literaturze opisano kilka ścieżek syntezy, ale tutaj opisano najczęściej stosowaną metodę dwuetapową. Reaktor jest najpierw napełniany monomerami i podgrzewany do 120 °C pod kocem N2. Po utworzeniu jednorodnego roztworu, mieszanina jest dalej ogrzewana przez 24 godziny. Reaktor jest następnie umieszczany pod próżnią (40 mTorr-10 Torr) na dodatkowe 24-48 godzin, w zależności od pożądanego stopnia polimeryzacji. W tym momencie żywica lub prepolimer jest gotowy i gotowy do drugiego etapu - tworzenia termoutwardzalnego elastomeru. Żywica może być stosowana w postaci czystej jako odlewana folia, formowana do określonego kształtu lub redukowana w rozpuszczalniku do odlewania lub powlekania zanurzeniowego. Żywica jest utwardzana przez 24-96 godzin, w zależności od pożądanych właściwości mechanicznych wymaganych dla elastomeru.
Jedną z zalet PGS jest możliwość dostrojenia jego właściwości mechanicznych poprzez wprowadzenie niewielkich zmian w procedurach polimeryzacji i utwardzania. Wartości modułu elastomeru są bezpośrednio związane ze stopniem usieciowania i mieszczą się w zakresie 0,77-1,9 MPa odpowiednio dla 48 i 96 godzin utwardzania. Szerszy zakres wartości modułu uzyskuje się poprzez manipulowanie stechiometrią monomeru, gdzie wartości modułu można regulować w zakresie 0,01-5 MPa. Zmiana stechiometrii monomeru pozwala również na precyzyjne dostrojenie zarówno masy cząsteczkowej, jak i wolnej funkcjonalności chemicznej. Średnie wartości masy cząsteczkowej mieszczą się w zakresie od 2000 do 200 000 Da i mogą być regulowane poprzez zmianę stosunku glicerolu do kwasu sebacynowego. Funkcjonalność chemiczna (mierzona miareczkowaniem liczby kwasowej) waha się od 110-10 mg/g, co skutkuje PGS o różnej hydrofilowości i reaktywności elastomeru.
Degradowalność i biokompatybilność
PGS ulega degradacji głównie poprzez hydrolizę wiązania estrowego do mniejszych oligomerów, a ostatecznie do wyjściowych monomerów, glicerolu i kwasu sebacynowego. Degradacja PGS jest wyjątkowa i różni się od innych polimerów resorbowalnych (np. polilaktydu, poliglikolidu i kopolimerów) tym, że PGS ulega degradacji poprzez erozję powierzchniową, a nie erozję masową.4 Znaczenie tego jest wykazane w liniowym profilu degradacji w czasie z kontrolowaną utratą właściwości mechanicznych, w przeciwieństwie do erozji masowej, w której właściwości mechaniczne wykazują katastrofalny spadek. W wielu badaniach oceniano degradację in vitro , mając nadzieję na modelowanie in vivo . Istnieje jednak słaba korelacja między in vitro i in vivo zachowaniem degradacyjnym.Badania in vitro przeprowadzone w różnych warunkach zazwyczaj wykazują utratę masy o 20% w ciągu 30 dni w porównaniu z utratą masy o 70% obserwowaną w tkankach podskórnych.4b Pomimo przyspieszonej kinetyki degradacji PGS in vivo w stosunku do in vitro w warunkach modelowych, szybkość degradacji można regulować poprzez modulowanie gęstości sieciowania poprzez czas utwardzania i temperaturę.5
Hydrolityczna degradacja PGS do jego monomerów składowych, glicerolu i kwasu sebacynowego, zapewnia resorbowalny materiał o wysokiej biokompatybilności. Glicerol jest metabolicznym budulcem lipidów i ma długą historię stosowania w farmaceutykach. Kwas sebacynowy jest naturalnym metabolitem pośrednim w ω-oksydacji średnio- i długołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Ponadto kopolimery zawierające kwas sebacynowy są stosowane w dostarczaniu leków chemioterapeutycznych.6 W różnych badaniach oceniano biokompatybilność PGS zarówno w testach in vitro , jak i in vivo badaniach implantacyjnych. Wykazano, że PGS jest niecytotoksyczny in vitro1 i indukuje minimalną odpowiedź zapalną z niewielkim tworzeniem włóknistej kapsułki, prawdopodobnie ze względu na degradację powierzchni PGS.7
Zastosowania w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej
Inżynieria tkankowa szybko się rozwinęła w ciągu ostatnich trzech dekad, a część siły napędowej innowacji w tej dziedzinie pochodzi z nowych biodegradowalnych elastomerowych biomateriałów.8 Wszystkie tkanki ciała są z natury elastyczne do pewnego stopnia, a wiele implantów/przeszczepów częściowo zawodzi z powodu niedopasowania właściwości mechanicznych między konstrukcjami natywnymi i inżynierskimi.9 W przypadku materiałów łączących się z tkanką naczyniową, elastyczność podłoża i stymulacja mechaniczna znacząco wpływają na funkcje komórek i rozwój tkanek.10 Dlatego materiały elastomerowe są uznawane za ważną klasę materiałów rusztowań dla tkanki naczyniowej i innych zastosowań regeneracyjnych tkanek miękkich.
Zastosowania w tkance sercowo-naczyniowej
Właściwości mechaniczne są szczególnie ważnym kryterium wyboru materiałów stosowanych w aplikacjach sercowo-naczyniowych. W szczególności PGS wykazuje niewielkie odkształcenia plastyczne, co czyni go atrakcyjnym dla inżynierii tkanek sercowo-naczyniowych. Przeszczepy tętnic o małej średnicy są nadal głównym wyzwaniem w inżynierii tkankowej, a wysoce porowate rusztowania PGS mogą być szczególnie skuteczne w inżynierii małych tętnic.11 Co więcej, komórki progenitorowe śródbłonka i komórki mięśni gładkich (SMC) dobrze przylegają i proliferują na PGS.11d SMC hodowane w rusztowaniach PGS współeksprymują elastynę i kolagen, co prowadzi do wysoce zgodnych z inżynierią naczyń krwionośnych.11c Co więcej, podczas gdy ilość tropoelastyny wytwarzanej przez te komórki jest identyczna na rusztowaniach PGS i PLGA, elastyczne podłoże PGS pozwala na sieciowanie tropoelastyny w elastynę usieciowaną desmosyną.11b W modelu aorty brzusznej szczura, kompozytowe przeszczepy tętnicze składające się z rurek PGS wzmocnionych osłonką z nanowłókien polikaprolaktonu wykazały konstruktywną przebudowę przeszczepu w neoarterie w ciągu 3 miesięcy.12 Neotętnica naśladowała natywną tętnicę mechanicznie, biochemicznie i anatomicznie, a neotętnice były dobrze zintegrowane z naczyniami gospodarza. Co ciekawe, neotętnica pulsowała synchronicznie z tętnicami gospodarza. Po roku od implantacji, neo-tętnice zawierały taką samą ilość elastyny jak ich natywny odpowiednik i zregenerowały się w przydance neo-tętnic (Rysunek 2).13
Rysunek 2.Morfologia i architektura tkanki neoarterii przypominają natywne tętnice. A) U góry po lewej: transformacja przeszczepu w neotętnicę in situ w ciągu 1 roku. Niedegradowalne szwy (czarne) oznaczają lokalizację przeszczepu. U góry po prawej: Widok poprzeczny usuniętych neotętnic przypomina widok natywnych aort. Dół: Widok podłużny usuniętych neotętnic przypomina sąsiednią natywną aortę. Wszystkie kreski linijki mają 1 mm. B) Wybarwione metodą H&E przekroje poprzeczne środkowej części neoarterii wykazują podobną architekturę tkanki do natywnej aorty, bez widocznych pozostałości materiału przeszczepu. Pasek skali 100 mm. C) Skrawki neotętnic wybarwione immunologicznie na obecność czynnika von Willebranda (vWF, czerwony) i α-aktyny mięśni gładkich (α-SMA, zielony). Powierzchnia światła neotętnic jest całkowicie pokryta komórkami vWF dodatnimi (czerwonymi), co sugeruje konfluentny śródbłonek. Neotętnice zawierają środkową warstwę ściany naczyniowej bogatą w komórki α-SMA dodatnie z obwodowo wydłużonymi jądrami, podobne do mięśni gładkich naczyń występujących w natywnych aortach. Najbardziej zewnętrzna warstwa neoarterii nie zawiera α-SMA, przypominając natywną przydankę. Niektóre komórki w warstwie podobnej do podłoża są ujemne dla α-SMA, a niektóre komórki przylegające do śródbłonka są α-SMA dodatnie, ale nie są obwodowo wydłużone. Pasek skali 100 mm. L oznacza światło naczynia. Jądra wybarwione DAPI (niebieski). D) Widok powierzchni światła neotętnic od strony zewnętrznej pokazuje całkowite pokrycie przez komórki CD31 dodatnie o morfologii przypominającej kostkę brukową i ułożeniu równoległym do kierunku przepływu krwi, układ podobny do tego występującego w natywnych aortach. Neotętnice zostały rozcięte wzdłużnie i zobrazowane w całości przy użyciu mikroskopii konfokalnej i spłaszczenia z-stack. Strzałka wskazuje kierunek przepływu krwi. Pasek skali 100 mm. Przedrukowano za zgodą z odnośnika 13. Copyright 2013, Elsevier Ltd.
PGS jest również szeroko stosowany w inżynierii tkankowej serca14 ze względu na łatwość modulowania właściwości mechanicznych PGS, aby łatwo dopasować je do tkanek mięśnia sercowego.5 W jednym z zastosowań, PGS został użyty do wytworzenia wysoce porowatych rusztowań z równoległymi kanałami, które naśladują sieci kapilarne występujące w natywnym mięśniu sercowym.14c Ko-kultury fibroblastów serca i kardiomiocytów w bioreaktorze perfuzyjnym z nośnikami tlenu dały konstrukcje kurczliwe w ciągu 11 dni.14d Po umieszczeniu in vivo, bezkomórkowe rusztowania PGS unaczyniają się po implantacji w modelu zawału mięśnia sercowego szczura w ciągu 2 tygodni.14d Niedawno stworzono rusztowanie PGS o mikrostrukturze przypominającej plaster miodu (Rysunek 3).14a Jego sztywność była kontrolowana przez czas utwardzania w celu dopasowania do właściwości mechanicznych mięśnia sercowego prawej komory szczura. Dodatkowo, rusztowania PGS zostały wstępnie pokryte białkami ECM w celu zapewnienia ligandów dla zwiększonej interakcji komórek, co zwiększyło komórkowość, zwiększyło produkcję białek ECM i modulowało różnicowanie komórek progenitorowych śródbłonka.15
Zastosowania w tkance nerwowej
PGS okazał się również obiecującym materiałem jako rusztowanie do regeneracji nerwów.7 Biokompatybilność PGS in vitro i in vivo została systematycznie oceniona. Pierwotne komórki Schwanna wykazywały podobną szybkość przylegania i aktywność metaboliczną zarówno na powierzchni PGS, jak i PLGA in vitro. Komórki na PGS miały wyższy wskaźnik proliferacji i niższą aktywność apoptotyczną niż te na PLGA. In vivo implantacja obok nerwu kulszowego wykazała, że PGS powoduje znacznie niższą przewlekłą odpowiedź zapalną niż PLGA, prawdopodobnie ze względu na minimalny obrzęk i właściwości erodujące powierzchni PGS. W niedawnym badaniu badano mikrofabrykowane porowate rusztowanie PGS do przeszczepu komórek progenitorowych siatkówki (RPC). Rusztowanie miało moduł Younga wynoszący 1,66 } 0,23 MPa i maksymalne odkształcenie 113 } 22%.16 Te właściwości mechaniczne bardziej przypominają te tkanki siatkówki (moduł Younga 0,1 MPa i maksymalne odkształcenie 83%) niż tradycyjna mieszanka PLA/PLGA (moduł Younga 9,0 } 1,7 MPa i maksymalne odkształcenie 9%) stosowana do dostarczania RPC. Badanie in vitro wykazało, że RPC dobrze przylegają i proliferują w rusztowaniu PGS oraz wykazują tendencję do różnicowania. Przeszczepy podsiatkówkowe wykazały długoterminowe przeżycie RPC i wysoki poziom migracji RPC do tkanki siatkówki gospodarza.17
Rysunek 3.Akordeonowe rusztowania o strukturze plastra miodu zapewniają anizotropowe właściwości mechaniczne podobne do natywnego mięśnia sercowego. A,B) Schematyczne diagramy ilustrujące akordeonową konstrukcję plastra miodu zbudowaną z dwóch nakładających się kwadratów 200 × 200 μm obróconych o 45 ° (diamenty). Wskazano odpowiednio preferowane (PD) i ortogonalne poprzecznie preferowane (XD) kierunki materiału, odpowiadające obwodowym i podłużnym osiom serca. Słupki skali: 1 mm (A) i 200 μm (B). C) Skaningowe mikrografy elektronowe demonstrujące wierność mikroablacji laserem ekscymerowym w renderowaniu akordeonowej konstrukcji plastra miodu w PGS. Paski skali: 200 μm. D) Czas utwardzania PGS był systematycznie zmieniany, uzyskując liniową zależność efektywnej sztywności PGS (EPGS) od czasu utwardzania w badanym zakresie. E) Reprezentatywne wykresy jednoosiowe naprężenie-odkształcenie dla akordeonowych rusztowań o strukturze plastra miodu z hodowanymi komórkami serca noworodków szczurów (rusztowania zostały wykonane z membran PGS utwardzanych przez 7,5 godziny w temperaturze 160 °C; komórki serca noworodków szczurów hodowano przez 1 tydzień). Przedrukowano za zgodą z odnośnika 19. Copyright 2008, Nature Publishing Group.
Zastosowania w tkance kostnej
Chociaż kość jest twardą tkanką, rozwija się z miękkiej tkanki kolagenowej w stadium embrionalnym. Podobnie, naturalny proces gojenia kości również rozpoczyna się od miękkiej, tymczasowej tkanki zwanej kalusem. Z tego powodu rusztowania wykonane z elastomeru PGS zostały wykorzystane do leczenia ubytków kostnych bez zrostu. W tym celu zastosowano porowatą rurkę PGS do połączenia dwóch końców całkowicie przeciętej kości łokciowej w modelu króliczym.18 Gojenie rozpoczęło się od utworzenia tkanki chrzęstnej podobnej do kalusa, która stopniowo mineralizowała się i całkowicie wypełniła ubytek w ciągu 2 miesięcy, jak zbadano za pomocą mikro-CT. Wyniki wykazały, że elastomer PGS o niższej sztywności może tworzyć środowisko przenoszące obciążenia, w którym regeneracja kości przebiega bardziej efektywnie. W przeciwieństwie do tego, metalowe implanty mogą powodować ekranowanie naprężeń kości, co utrudnia gojenie.
Zastosowania powłok w tekstyliach medycznych
Technologia powlekania odgrywa znaczącą rolę w rozwoju urządzeń medycznych, ponieważ zapewnia środki modyfikacji podłoża i poprawy wydajności urządzenia. PGS okazał się niezwykle obiecujący jako materiał powłokowy; jego żywica jest łatwo redukowalna w szerokim zakresie rozpuszczalników (np, octan etylu, THF, aceton, 1,3-dioksolan i różne alkohole), w wyniku czego powstaje roztwór, który może być stosowany do powlekania zanurzeniowego i natryskowego. Rysunek 4 pokazuje szereg podłoży tekstylnych (PET, polipropylen, PGA i nitinol) pokrytych gładką, dopasowaną cienką warstwą PGS. Zwiększone właściwości mechaniczne, lepsza biokompatybilność i właściwości przeciwdrobnoustrojowe to cechy nadawane przez powłokę PGS, ilustrujące jej użyteczność w przestrzeni urządzeń medycznych.
Rysunek 4.Obrazy SEM powłok Regenerez naniesionych na szereg powszechnie stosowanych elementów tekstylnych urządzeń medycznych: A) powlekana zanurzeniowo tkanina z poli(tereftalanu etylenu), B) powlekana zanurzeniowo dzianina z poli(kwasu glikolowego), C) powlekana zanurzeniowo siatka PEEK, D) powlekany natryskowo oplot nitinolowy i E) powlekana zanurzeniowo siatka z poli(propylenu). Obrazy SEM dostarczone przez Carissę Smoot z Secant Group.
Wnioski
Biomateriały będą nadal odgrywać ważną rolę w urządzeniach medycznych i medycynie regeneracyjnej, ponieważ zawsze będzie istnieć zapotrzebowanie na materiały, które są w stanie naśladować właściwości natywnej tkanki. PGS ma wiele właściwości, co czyni go idealnym materiałem do spełnienia wielu wymagań technologicznych w zastosowaniach związanych z urządzeniami i inżynierią tkankową. W ciągu ostatnich 15 lat PGS był wykorzystywany w zastosowaniach w dziedzinie układu sercowo-naczyniowego, nerwowego, tkanek miękkich i twardych i nadal znajduje nowe zastosowania, takie jak powłoki do urządzeń wszczepialnych. W tym czasie PGS przeszedł od laboratorium badawczego do komercjalizacji wraz z wprowadzeniem żywicy Regenerez® Poly(glycerol Sebacate) Resin. Ostatnie postępy badawcze, jak opisano tutaj, z pewnością rozszerzą użyteczność i zastosowanie tego wszechstronnego biomateriału.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?