Επίδραση της σύνθεσης και της δομής στη βιοδιάσπαση και την κυτταροσυμβατότητα μικρο-νανοϊνωδών πολυμερικών βιοϋλικών
Loading...
Date
2024-11-19
Authors
Μητροπούλου, Αθηνά
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Δεδομένης της περιορισμένης αναγεννητικής ικανότητας των ανθρώπινων ιστών, πολυάριθμες χειρουργικές επεμβάσεις πραγματοποιούνται καθημερινά σε παγκόσμιο επίπεδο για την αντικατάσταση και αποκατάσταση κατεστραμμένων ιστών. Η αξιοσημείωτη πρόοδος που έχει σημειωθεί τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της επιστήμης των υλικών, της μηχανικής και της ιατρικής, στοχεύει στην αποκατάσταση της λειτουργικότητας των κατεστραμμένων ιστών μέσω της ενσωμάτωσης κυττάρων σε βιοσυμβατά και βιοαποδομήσιμα πορώδη κατασκευάσματα, γνωστά ως ικριώματα. Τα ικριώματα, ως τρισδιάστατα (3D) υποστρώματα, χρησιμεύουν ως ιδανικά πρότυπα για την αναγέννηση των ιστών, προσομοιώνοντας τη δομή της εξωκυτταρικής μήτρας (Extracellular Matrix, ECM).
Μεταξύ των τεχνικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ικριωμάτων, η ηλεκτροϊνοποίηση (Electrospinning) ξεχωρίζει ως ιδανική προσέγγιση λόγω της ικανότητάς της να παράγει δομές που μιμούνται τα χαρακτηριστικά της εξωκυτταρικής μήτρας (ECM). Ωστόσο, οι τύποι των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ενός ικριώματος, καθώς και οι λειτουργικές απαιτήσεις που χρειάζεται να πληροί για την εκάστοτε εφαρμογή του, πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη. Πολλά βιοαποδομήσιμα συνθετικά πολυμερή, είτε υδρόφοβα, όπως η πολυ-ε-καπρολακτόνη (PCL), είτε υδρόφιλα, όπως η πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA), χρησιμοποιούνται ευρέως ως υποψήφια βιοδραστικά υλικά για την κατασκευή ικριωμάτων μηχανικής ιστών. Ωστόσο, τα ικριώματα που κατασκευάζονται από υδρόφοβα πολυμερή, συχνά παρουσιάζουν περιορισμένη κυτταροσυμβατότητα και δυσκολία στην ενσωμάτωση κυττάρων, ενώ τα υδρόφιλα πολυμερή, παρόλο που έχουν καλή βιοσυμβατότητα, συχνά στερούνται την απαραίτητη μηχανική αντοχή. Αυτοί οι περιορισμοί εμποδίζουν την αποδοτική χρήση των ικριωμάτων στην in vivo αναγέννηση ιστών, καθιστώντας αναγκαία την αναζήτηση καινοτόμων προσεγγίσεων.
Ο συνδυασμός υδρόφοβων και υδρόφιλων πολυμερών έχει προταθεί ως λύση για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών. Η παρούσα διατριβή επιδιώκει να αξιοποιήσει τα πλεονεκτήματα και των δύο τύπων πολυμερών δημιουργώντας σύνθετα ικριώματα μέσω ηλεκτροϊνοποίησης για εφαρμογές στην Ιστομηχανική. Συγκεκριμένα, η συνδυασμένη χρήση της υδρόφοβης PCL και της υδρόφιλης PVA στοχεύει στην ανάπτυξη ικριωμάτων με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, αυξημένη κυτταροσυμβατότητα και βιοαποικοδόμηση με ελεγχόμενο ρυθμό, επιτυγχάνοντας έτσι καλύτερη κυτταρική προσκόλληση και ενσωμάτωση, και τελικά προάγοντας την αποτελεσματική αναγέννηση των ιστών in vitro.
Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκαν τρεις ομάδες ικριωμάτων χρησιμοποιώντας την τεχνική της ηλεκτροϊνοποίησης: i) ικριώματα PCL μονής στρώσης (single-layered), ii) σύνθετα ικριώματα τριών διαδοχικών στρωμάτων (PVA/PCL/PVA) (tri-layered), και iii) ομοαξονικά ικριώματα σύνθετης δομής πυρήνα-κελύφους (PVA ως κέλυφος και PCL ως πυρήνας) (core-shell). Διερευνήθηκε πώς η συνεργατική χρήση υδρόφιλων και υδρόφοβων πολυμερών μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες των ικριωμάτων για τη χρήση τους στην Ιστομηχανική. Η έρευνα επικεντρώθηκε ιδιαίτερα στην αρχιτεκτονική δομή των ικριωμάτων πυρήνα-κελύφους (core-shell), λόγω της καινοτόμου φύσης της και της περιορισμένης αναφοράς στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Η ομοαξονική ηλεκτροϊνοποίηση, η τεχνική που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αυτών των ικριωμάτων, αποτελεί μια σχετικά πρόσφατη εξέλιξη στον τομέα της επιστήμης και της μηχανικής των υλικών και δεν έχει μελετηθεί εκτενώς. Αυτό υπογραμμίζει την καινοτόμο πτυχή της παρούσας έρευνας, καθιστώντας την ιδιαίτερα σημαντική για την περαιτέρω ανάπτυξη και κατανόηση των δυνατοτήτων αυτής της πολλά υποσχόμενης τεχνικής.
Στα πλαίσια της μελέτης, οι δομικές και εμβιομηχανικές ιδιότητες των ικριωμάτων συγκρίθηκαν διεξοδικά πριν και μετά την υδρολυτική αποικοδόμησή τους, η οποία διεξήχθη σε περίοδο επτά μηνών μετά από εμβάπτιση σε αλατούχο διάλυμα ρυθμισμένο με φωσφορικά (PBS) στους 37°C. Επιπροσθέτως, τα ικριώματα υποβλήθηκαν σε in vitro δοκιμές, όπου ανθρώπινα εμβρυϊκά νεφρικά κύτταρα (HEK-293) καλλιεργήθηκαν επάνω σε αυτά για να διερευνηθεί η πιθανή προσκόλληση, διήθηση και πολλαπλασιασμός των κυττάρων.
Τα βασικά ευρήματα από τη μελέτη περιλαμβάνουν την επίτευξη εξαιρετικά ομοιογενούς μεγέθους και κατανομής ινών σε όλους τους τύπους ικριωμάτων, χάρη στις βελτιστοποιημένες παραμέτρους ηλεκτροϊνοποίησης που επιλέχθηκαν, διασφαλίζοντας έτσι μια σταθερή διαδικασία ινοποίησης. Οι επιφανειακές ιδιότητες ενισχύθηκαν σημαντικά στα ικριώματα τριών στρωμάτων (tri-layered) και πυρήνα-κελύφους (core-shell) μέσω της προσθήκης της υδρόφιλης PVA, βελτιώνοντας ουσιαστικά την υδροφιλικότητα και τη βιοσυμβατότητα των ικριωμάτων. Αυτή η βελτίωση, είναι απαραίτητη για την προώθηση της ομαλής προσκόλλησης και πολλαπλασιασμού των κυττάρων.
Τα αποτελέσματα από τις εικόνες της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) και Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ) αποκάλυψαν ότι όλα τα ικριώματα εμφάνισαν λείες, ομοιόμορφες και ευθυγραμμισμένες ίνες, συμβάλλοντας σε πυκνές τρισδιάστατες δομές κατάλληλες για εφαρμογές μηχανικής ιστών. Τα ικριώματα επέδειξαν διαμέτρους ινών σε νανο- και μικροκλίμακα, με μεγέθη πόρων μικροκλίμακας, απαραίτητα για την κυτταρική διήθηση και την αναγέννηση των ιστών. Συγκεκριμένα, τα core-shell ικριώματα παρουσίασαν αρκετά ομοιόμορφη κατανομή στη διάμετρο των ινών, υποδηλώνοντας συνεπή δομή των ινών σε σύγκριση με τους άλλους τύπους ικριωμάτων.
Οι μελέτες αποικοδόμησης in vitro που πραγματοποιήθηκαν σε διάστημα επτά μηνών τόνισαν τον ρόλο του υδρόφιλου συστατικού PVA στην ενίσχυση της πρόσληψης νερού. Τα tri-layered ικριώματα παρουσίασαν σταδιακή μείωση του πάχους λόγω της υποβάθμισης του εξωτερικού στρώματος PVA, ενώ τα core-shell ικριώματα διατήρησαν τη δομική τους ακεραιότητα περισσότερο, υποδηλώνοντας παρατεταμένη βιοαποικοδόμηση.
Μηχανικά, όλοι οι τύποι ικριωμάτων εμφάνισαν αυξημένη ακαμψία (μετρούμενη από το μέτρο του Young και την τελική αντοχή εφελκυσμού) μετά την αποικοδόμηση, πιθανότατα επηρεασμένη από την παρουσία κρυσταλλικών προϊόντων υδρόλυσης. Ωστόσο, τα core-shell ικριώματα έδειξαν σημαντική αύξηση στο μέτρο του Young (40,7%) μετά από την επτάμηνη υποβάθμιση σε PBS, υποδεικνύοντας βελτιωμένη μηχανική σταθερότητα με την πάροδο του χρόνου, σε σύγκριση με τα single-layered ικριώματα που παρουσίασαν μέτρια αύξηση (18%) και τα tri-layered ικριώματα που διατήρησαν έναν συντελεστή μέτριας αύξησης (15,6%) καθ' όλη τη διάρκεια της in vitro αποδόμησης. Ακολούθως, τα αποτελέσματα της μέγιστης αντοχής σε εφελκυσμό (UTS) έδειξαν ότι τα core-shell και tri-layered ικριώματα εμφάνισαν υψηλότερες τιμές αντοχής (7,12 ± 0,36 MPa και 6,8 ± 0,36 MPa, αντίστοιχα) από τα single-layered ικριώματα (2,02 ± 0,18 MPa) και διατήρησαν ή βελτίωσαν την αντοχή τους κατά την περίοδο υποβάθμισης. Τέλος, από τα αποτελέσματα της μέγιστης καταπόνησης (maximum strain), τα single-layered ικριώματα ενώ αρχικά εμφάνισαν την υψηλότερη ολκιμότητα, παρουσίασαν ωστόσο τη μεγαλύτερη μείωση με την πάροδο του χρόνου στις συνθήκες υποβάθμισης. Από την άλλη, τα core-shell ικριώματα παρουσίασαν ένα πιο σταθερό προφίλ καταπόνησης, υποδηλώνοντας καλύτερη διατήρηση της ολκιμότητας σε σύγκριση με τα tri-layered ικριώματα. Συνόπτικά, τα core-shell ικριώματα επιδεικνύουν ενθαρρυντικές μηχανικές ιδιότητες, αφού φαίνεται να προσφέρουν έναν ισορροπημένο συνδυασμό μηχανικής αντοχής, σταθερότητας και ολκιμότητας, καθιστώντάς τα ιδανικά για εφαρμογές Ιστομηχανικής, όπου απαιτείται στιβαρή μηχανική υποστήριξη και ελεγχόμενη βιοδιάσπαση.
Οι αξιολογήσεις από τις μελέτες κυτταροκαλλιέργειας αποκάλυψαν ανώτερη κυτταρική βιοσυμβατότητα για τα core-shell ικριώματα, προάγοντας καλύτερα την κυτταρική προσκόλληση και πολλαπλασιασμό σε σύγκριση με τα single-layered και tri-layered. Το υδρόφιλο στρώμα PVA όπως φαίνεται, έπαιξε κρίσιμο ρόλο στη βελτίωση της υδροφιλίας του ικριώματος και στην ενίσχυση των κυτταρικών αποκρίσεων.
Συνολικά, η μελέτη καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα της ομοαξονικής ηλεκτροϊνοποίησης για την παραγωγή σύνθετων ικριωμάτων με αυξημένη βιοσυμβατότητα, ελεγχόμενη βιοαποικοδόμηση και βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι τα βιοαποικοδομήσιμα ινώδη ικριώματα δομής πυρήνα-κελύφους (core-shell) που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη μελέτη, θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια ελκυστική επιλογή για εφαρμογές Ιστομηχανικής και Αναγεννητικής Ιατρικής. Η μοναδική αρχιτεκτονική τους, επιτρέπει την ομαλή υποβάθμιση, αποφεύγοντας τα φαινόμενα αιφνίδιας ρήξης (burst effects), διατηρώντας καλές μακροπρόθεσμες μηχανικές ιδιότητες και υποστηρίζοντας την ανάπτυξη των κυττάρων, χωρίς κανένα εξωτερικό χημικό ή φυσικό ερέθισμα.
Description
Keywords
Ιστομηχανική, Ικριώματα, Ηλεκτροϊνοποίηση, Πολυμερή, Βιοδιάσπαση