Uitgelijnde nanovezelarchitecturen inbedden in 3D-geprinte polycaprolactonsteigers voor weefselregeneratie

De bestaande 3D-geprinte steigers hebben gewoonlijk een dikke functiegrootte van honderden micrometers, wat te groot is voor de meeste cellen (10-20 μm) om te hechten en te prolifereren om weefselregeneratie te bevorderen. Onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University hebben een nieuwe hybride fabricagetechniek ontwikkeld voor de fabricage van composietsteigers met 3D-geprinte macroschaalkaders en uitgelijnde nanovezelarchitecturen om cellulaire organisaties te verbeteren.

Publiceren in het tijdschrift Internationaal tijdschrift voor extreme productiecombineerde het team onder leiding van onderzoekers van het State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering de technieken van 3D-printen, elektrospinnen, unidirectioneel vriezen en vriesdrogen om ECM-biomimetische fibrillaire architecturen in te bedden in eerder 3D-geprinte steigers.

Vergeleken met 3D-geprinte scaffolds, waren de ontwikkelde composietsteigers met hiërarchische structuren in staat om de seeding-efficiëntie, proliferatiesnelheid en morfogenese van de geplaatste cellen te verbeteren en de directionele cellulaire ingroei te sturen. De bevindingen zouden een wijdverspreide impact kunnen hebben op de ontwikkeling van composietsteigers met hiërarchische architecturen, mogelijk voor de ordelijke ruimtelijke regeneratie en hermodellering van weefsels in de toekomst.

Een van de hoofdonderzoekers, professor Jiankang He, merkte op: “De opkomst van 3D-printtechnologieën heeft de snelle en op maat gemaakte fabricage van poreuze scaffolds met structurele en mechanische eigenschappen van de ontwerper mogelijk gemaakt, met een groot potentieel voor verschillende weefselhersteltoepassingen en toekomstig klinisch gebruik.

Desalniettemin is een van de uitdagingen van de huidige 3D-geprinte steigers de relatief grote functiegrootte, die de celhechting en groei beperkte voor de vorming van dichte cellulaire constructies voor het bevorderen van weefselreconstructie. Gezien het wijdverbreide medische en wetenschappelijke belang van 3D-printen, is het echt belangrijk om het vermogen van 3D-geprinte scaffolds te verbeteren om te voldoen aan de dringende behoeften om weefselregeneratie te vergemakkelijken.

Een van de veelbelovende richtingen is om aanvullende architecturen op micro-/nanoschaal op te nemen in de 3D-geprinte steigers op macroschaal als ECM-alternatieven voor cellulaire kolonisatie, organisatie en rijping.

“Momenteel kunnen weinig technieken worden gebruikt om collageenachtige micro- / nanovezels in bestaande poreuze steigers te introduceren vanwege de afschermende effecten van de bestaande architecturen, ” zei eerste auteur Dr. Zijie Meng.

“In ons werk laten we zien dat ECM-mimetische fibrillaire architecturen kunnen worden opgenomen in de 3D-geprinte steigers door de geperfuseerde korte nanovezelsuspensies in vaste vorm te vriezen en vervolgens het ijs te verwijderen via vriesdrogen. Nanofibrillaire architecturen met uitgelijnde oriëntatie kunnen zijn verkregen onder begeleiding van een unidirectionele temperatuurgradiënt, wat nuttig kan zijn voor het bevorderen van infiltratie en migratie van omringende cellen.Door de vriestemperatuur te veranderen, kan het mediane poriegebied van de nanovezelarchitecturen verder worden geregeld vanaf ca. 400 μm² tot 4000 urn².”

Door deze nieuwe combinatie konden ze aanvullende topologische aanwijzingen produceren binnen mechanisch robuuste 3D-geprinte steigers. Door cellen op de composietsteigers met uitgelijnde nanovezelarchitecturen in vitro te zaaien, konden onderzoekers het effect begrijpen van de poriegrootte van de uitgelijnde nanofibrillaire architecturen op cellulaire hechting, proliferatie en gerichte infiltratie.

Het bestaan ​​van nanovezel-architecturen bleek de efficiëntie van het zaaien van cellen, de proliferatiesnelheid en gerichte cellulaire migratie aanzienlijk te verbeteren, in vergelijking met pure 3D-geprinte steigers met grote poriegroottes en dikke filamenten.

Co-eerste auteur Miss Xingdou Mu aan de Air Force Medical University voegde toe: “De composietsteigers kunnen volumestabiele omgevingen bieden, gerichte cellulaire infiltratie voor weefselregeneratie mogelijk maken en de adipogene rijping van ADSC’s in vitro ondersteunen. Vooral de 3D-geprinte raamwerken zorgden voor het grootste deel van de mechanische ondersteuningscapaciteit van de composietsteigers, terwijl de cellulaire reacties direct werden beïnvloed door de ingebedde nanovezelachtige architecturen.”

“Bovendien kunnen de composietsteigers met uitgelijnde nanovezel-architecturen, wanneer ze worden geïmplanteerd in een subcutaan model van ratten, gerichte weefselinfiltratie begeleiden en neovascularisatie in de buurt effectief bevorderen, wat nuttig zou kunnen zijn voor de overleving op lange termijn van de geregenereerde weefsels.”

Het team bestudeerde een hybride productiestrategie die veelbelovend is voor de productie van composietsteigers met hiërarchische structuren, en de experimentele technologie die ze hebben ontwikkeld, kan voor veel verschillende toepassingen worden gebruikt.

Co-corresponderende auteur professor Juliang Zhang zei: “De gastheerweefsels waren in staat om geleidelijk in de composietsteigers te infiltreren in de richting van uitgelijnde nanovezelstructuren, waarbij de 3D-geprinte PCL-frameworks bijdroegen aan het vormbehoud van de geregenereerde weefsels. In de toekomst , de haalbaarheid om cellulaire organisatie te regelen door de lokale oriëntatie van nanovezelige microporiën te veranderen, moet verder en dieper worden onderzocht, wat mogelijk kan worden gebruikt voor meer complexe en uitgelijnde weefselregeneratie, zoals de pees, ligament, zenuw en hartspieren. ”