Einbettung ausgerichteter Nanofaserarchitekturen in 3D-gedruckte Polycaprolacton-Gerüste zur Geweberegeneration

Die bestehenden 3D-gedruckten Gerüste besitzen üblicherweise eine dicke Strukturgröße von Hunderten von Mikrometern, was für die meisten Zellen (10–20 μm) zu groß ist, um sich anzuheften und zu vermehren, um die Geweberegeneration zu fördern. Forscher der Xi’an Jiaotong University haben eine neuartige hybride Herstellungstechnik für die Herstellung von Verbundgerüsten mit 3D-gedruckten makroskaligen Gerüsten und ausgerichteten Nanofaserarchitekturen entwickelt, um die zelluläre Organisation zu verbessern.

Veröffentlichung in der Zeitschrift Internationale Zeitschrift für extreme Fertigungkombinierte das Team unter der Leitung von Forschern des State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering die Techniken des 3D-Drucks, des Elektrospinnens, des unidirektionalen Gefriergusses und der Gefriertrocknung, um ECM-biomimetische Fibrillenarchitekturen in zuvor 3D-gedruckte Gerüste einzubetten.

Im Vergleich zu 3D-gedruckten Gerüsten konnten die entwickelten Verbundgerüste mit hierarchischen Strukturen die Aussaateffizienz, Proliferationsrate und Morphogenese der ausgesäten Zellen verbessern und das gerichtete zelluläre Einwachsen steuern. Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Verbundgerüsten mit hierarchischen Architekturen haben, die möglicherweise für die geordnete räumliche Regeneration und Umgestaltung von Geweben in der Zukunft geeignet sind.

Einer der leitenden Forscher, Professor Jiankang He, kommentierte: „Das Aufkommen von 3D-Drucktechnologien hat die schnelle und kundenspezifische Herstellung poröser Gerüste mit Designer-Struktur- und mechanischen Eigenschaften ermöglicht, die ein großes Potenzial für verschiedene Gewebereparaturanwendungen und zukünftige klinische Anwendungen aufweisen.

Eine der Herausforderungen aktueller 3D-gedruckter Gerüste ist jedoch die relativ große Strukturgröße, die die Zellanhaftung und das Wachstum für die Bildung dichter Zellkonstrukte zur Förderung der Geweberekonstruktion einschränkt. Angesichts der weit verbreiteten medizinischen und wissenschaftlichen Bedeutung des 3D-Drucks ist es wirklich wichtig, die Fähigkeit von 3D-gedruckten Gerüsten zu verbessern, um die dringenden Anforderungen zur Erleichterung der Geweberegeneration zu erfüllen.

Eine der vielversprechenden Richtungen besteht darin, zusätzliche Architekturen im Mikro-/Nanomaßstab in die makroskaligen 3D-gedruckten Gerüste als ECM-Alternativen für die zelluläre Besiedlung, Organisation und Reifung zu integrieren.

„Derzeit können aufgrund der abschirmenden Wirkung der bestehenden Architekturen nur wenige Techniken eingesetzt werden, um kollagenartige Mikro-/Nanofasern in bestehende poröse Gerüste einzuführen“, sagte Erstautor Dr. Zijie Meng.

„In unserer Arbeit zeigen wir, dass ECM-mimetische Fibrillenarchitekturen in die 3D-gedruckten Gerüste eingebaut werden könnten, indem die perfundierten kurzen Nanofasersuspensionen in Feststoffe gefriergegossen und dann das Eis durch Gefriertrocknung entfernt werden. Nanofibrillare Architekturen mit ausgerichteter Orientierung können sein erhalten unter der Führung eines unidirektionalen Temperaturgradienten, der nützlich sein könnte, um die Infiltration und Migration umgebender Zellen zu fördern. Durch Änderung der Gefriertemperatur kann die mittlere Porenfläche der Nanofaserarchitekturen weiter von ca. 400 μm2 auf 4000 μm2 gesteuert werden.“

Diese neuartige Kombination ermöglichte es ihnen, zusätzliche topologische Hinweise innerhalb mechanisch robuster 3D-gedruckter Gerüste zu erzeugen. Durch das Aussäen von Zellen auf den Verbundgerüsten mit ausgerichteten Nanofaserarchitekturen in vitro konnten die Forscher die Wirkung der Porengröße der ausgerichteten Nanofibrillararchitekturen auf die Zellanhaftung, Proliferation und gerichtete Infiltration verstehen.

Es wurde festgestellt, dass die Existenz von Nanofaserarchitekturen die Zellaussaateffizienz, Proliferationsrate und gerichtete Zellmigration im Vergleich zu reinen 3D-gedruckten Gerüsten mit großen Porengrößen und dicken Filamenten signifikant verbessert.

Co-Erstautorin Miss Xingdou Mu von der Air Force Medical University fügte hinzu: „Die Verbundgerüste können volumenstabile Umgebungen bieten, eine gezielte zelluläre Infiltration zur Geweberegeneration ermöglichen und die adipogene Reifung von ADSCs in vitro unterstützen. Insbesondere die 3D-gedruckten Gerüste lieferten den Großteil der mechanischen Stützkapazität der Verbundgerüste, während die zellulären Reaktionen direkt von den eingebetteten Nanofaserarchitekturen beeinflusst wurden.

„Darüber hinaus können die Verbundgerüste mit ausgerichteten Nanofaserarchitekturen, wenn sie in ein subkutanes Modell von Ratten implantiert werden, eine gerichtete Gewebeinfiltration lenken und die Neovaskularisation in der Nähe effektiv fördern, was für das langfristige Überleben der regenerierten Gewebe hilfreich sein könnte.“

Das Team untersuchte eine hybride Fertigungsstrategie, die für die Herstellung von Verbundgerüsten mit hierarchischen Strukturen vielversprechend ist, und die von ihnen entwickelte experimentelle Technologie kann für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.

Der Mitautor Professor Juliang Zhang sagte: „Die Wirtsgewebe konnten allmählich in die Verbundgerüste entlang der Richtung ausgerichteter Nanofaserstrukturen infiltrieren, wobei die 3D-gedruckten PCL-Gerüste zur Formbeständigkeit der regenerierten Gewebe beitrugen. In der Zukunft , muss die Möglichkeit, die zelluläre Organisation durch Änderung der lokalen Ausrichtung von Nanofaser-Mikroporen zu arrangieren, weiter und tiefer untersucht werden, was möglicherweise für eine komplexere und ausgerichtetere Geweberegeneration wie Sehnen, Bänder, Nerven und Herzmuskeln verwendet werden könnte.