Биомиметические природные биоматериалы для тканевой инженерии и регенеративной медицины: новые методы биосинтеза, последние достижения и новые применения

Военно-медицинские исследования, том 10, Номер статьи: 16 (2023) Цитировать эту статью

4022 Доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Биомиметические материалы стали привлекательной и конкурентоспособной альтернативой тканевой инженерии (ТЭ) и регенеративной медицине. В отличие от обычных биоматериалов или синтетических материалов, биомиметические каркасы на основе природного биоматериала могут предлагать клеткам широкий спектр биохимических и биофизических сигналов, имитирующих внеклеточный матрикс (ECM) in vivo. Кроме того, такие материалы обладают механической адаптируемостью, взаимосвязью микроструктур и присущей им биологической активностью, что делает их идеальными для создания живых имплантатов для конкретных применений в ТЕ и регенеративной медицине. В этом документе представлен обзор недавнего прогресса в области биомиметических природных биоматериалов (БНБМ), включая достижения в их приготовлении, функциональности, потенциальных применениях и будущих проблемах. Мы подчеркиваем последние достижения в производстве БНБМ и обрисовываем общие стратегии функционализации и адаптации БНБМ с различными биологическими и физико-химическими характеристиками нативного ЕСМ. Кроме того, мы предлагаем обзор последних ключевых достижений в области функционализации и применения универсальных BNBM для приложений TE. Наконец, в заключение мы предложим наш взгляд на открытые проблемы и будущие разработки в этой быстро развивающейся области.

Тканевая инженерия (TE) направлена ​​на восстановление, сохранение или улучшение структуры и функции дефектных тканей или органов путем интеграции биологических сигналов и стратегий биокаркасов [1,2,3]. Биокаркасы обеспечивают нишу для клеток, имитируя состав, структуру и свойства внеклеточного матрикса (ECM) in vivo, и предлагают клеткам широкий спектр биологических и физико-химических сигналов. ЕСМ действует как сеть биомассы, которая сочетает в себе мягкость, прочность и эластичность, обеспечивая механическую поддержку и структурную целостность тканей и органов. Он в основном состоит из полисахаридной матрицы с различными встроенными белками, такими как коллаген, эластин и фибронектин. Трехмерная (3D) иерархическая микроструктура и электромеханическая природа ЕСМ играют важную роль в его транспортных свойствах, клеточной коммуникации, механотрансдукции и передаче сигналов факторов роста путем взаимодействия с рецепторами клеточной поверхности, а также связывания факторов роста и других сигнальных молекул.

Природные биоматериалы, полученные из возобновляемых ресурсов, таких как растения, животные и микроорганизмы, демонстрируют большое разнообразие уникальных, но сложных компонентов, микроструктур и физиологических свойств. Такие материалы предлагают биологическую поддержку, подходящую для прикрепления и роста клеток с разнообразным набором функций в их нативных условиях [2, 4]. Таким образом, природные биоматериалы, заселенные аутологичными или генно-инженерными клетками, могут служить идеальным шаблоном для создания живых имплантатов для конкретных применений в ТЭ и регенеративной медицине. Следовательно, они являются хорошим выбором для биомиметических каркасов TE благодаря их форме и механической адаптируемости, взаимосвязи микроструктур и присущей биологической активности, которая имитирует нативный ЕСМ. Кроме того, эти биомиметические природные биоматериалы (БНБМ) обладают четко определенной молекулярной структурой и множеством активных центров, что позволяет осуществлять дальнейшую функциональную модификацию и/или связывание с другими материалами, что позволяет готовить огромное количество индивидуальных продуктов с желаемыми свойствами и точно настроенными функциями. .

Однако природные материалы сталкиваются с рядом ограничений, таких как вариативность партий, быстрая деградация, слабые механические свойства и ограниченная технологичность, что замедляет их клиническое применение. Чтобы имитировать естественный ЕСМ, каркасы на основе БНБМ могут быть адаптированы для обеспечения превосходных физико-химических, механических и биологических свойств, тем самым поддерживая клеточную инфильтрацию, адгезию, дифференцировку, а также транспортировку кислорода и питательных веществ.