原文
,卷:13(2)
生物医学应用的自功能化、反电荷壳聚糖-海藻酸盐支架
- *通信:
- 帕瓦尔SHD.Y.帕蒂尔大学跨学科研究中心,Vidyanagar, Kasba Bawada, Kolhapur- 416006,马哈拉施特拉邦,印度,电话:+ 91231 2601202;电子邮件: (电子邮件保护)
收到:2016年7月14日;接受:2017年3月3日;发表:2017年3月6日
引用:Kumbhar SG, Pawar SH.生物医学应用的自功能化、反电荷壳聚糖-海藻酸盐支架。生物技术学报,2017;13(2):130。
摘要
聚合物生物材料在今天有重大影响吗健康护理技术。聚合物第一个是实验设计的吗生物材料供人类使用。壳聚糖和海藻酸盐是两种天然且容易获得的物质聚合物已知具有生物相容性,可生物降解性并保持良好的抗菌活性。当组合在一起时,它们表现出理想的特性,并可以被创建成细胞培养的支架。基于壳聚糖和海藻酸盐的支架比其他支架具有优势聚合物由于其无毒,生物降解性,生物相容性,良好的机械性能,并被证明适合细胞生长和重建。本文介绍了壳聚糖-海藻酸盐支架材料的设计、合成及性能,并对其应用前景进行了展望生物材料在组织工程进行了综述。
关键字
壳聚糖;藻朊酸盐;组织工程;生物医学应用
简介
组织工程旨在创建功能三维(3D)组织,结合支架,细胞和/或生物活性分子[1].它是一门交叉学科,主要包括三个基本要素:支架,细胞而且生物分子[2].
一个主要的目标组织工程脚手架的设计是否能够重现在活的有机体内主要由ECM提供的微环境。因此,这些结构应包含适当的生物物理、生物力学和生化线索,这些线索指导细胞增殖、分化、维持和功能[3.].合适的支架组织工程是用什么来创造的生物学在心里的。理想情况下,支架提供了一种临时的再生途径,并且在愈合时或愈合后会降解,从而避免了以后移除材料的需要,并消除了将材料留在体内可能产生的副作用。当然,必须注意确保降解产物无细胞毒性[4].
最初,脚手架用于组织工程来源于外科材料;从食品和药物管理局等监管机构的角度来看,将当前或以前使用的材料用于其他应用的趋势具有优势,但并不一定能促进针对不同组织所需性能特征的最佳材料的开发[5-7].预计支架生物材料可降解为细胞经历形成自身支持性ECM的过程;植入物的永久存在几乎总是会引起异物反应。材料组成,表面化学,和拓扑结构影响退化[8].
的发展生物材料也带来了重大挑战。植入组织的形成在很大程度上受到生物材料的组成、结构、支架的三维环境和生物相容性的影响。除了具有生物相容性外,是一种理想的生物材料支架组织再生现在可以具有生物活性,仿生,可生物降解和生物响应,提供具有时空控制和响应的信号,对定义的刺激有选择性。支架材料的机械强度需要模仿它要修复或替换的组织的机械性能。此外,材料的孔隙度、孔径分布和连续性极大地影响了特定细胞类型的附着和相互作用生物材料与主持人[9].
支架的性能
支架提供细胞适宜的生长环境,最佳的氧含量,有效的营养和浪费运输以及机械的完整性。脚手架还提供了3D环境细胞这样它们就可以组织起来形成组织。当支架降解时,细胞产生它们自己的细胞外基质(ECM)分子,并最终形成形态上模仿原生组织的3D结构。
许多因素影响支架的选择和性能。这些包括但不限于生物相容性、孔隙度、孔径、表面特性和pH值、表面电荷、生物降解性、机械特性,以及理想情况下招募各种细胞的能力。有几个要求已被确定为支架生产的关键[10他们中的一些人代表图。1.
1.支架应具有适当尺度的相互连接的孔隙,以促进组织的整合和血管化。
2.它们由具有可控生物降解性或生物可吸收性的材料制成,因此组织最终将取代支架。
3.它们具有适当的表面化学性质,有利于细胞附着、分化和增殖。
4.它们具有足够的机械性能,以匹配植入和处理的预定位置。
5.它们不应引起任何不良反应。
6.它们很容易被制造成各种形状和大小。
支架应具有可接受的生物相容性和毒性特征。生物相容性是指支架在特定应用中不引起有害免疫或炎症反应的能力。如果支架无毒且可降解,新组织将最终取代它,而如果它无毒且具有生物活性,支架将与周围组织融合。然而,如果支架是无生物活性的,纤维囊可能会包裹支架。在最坏的情况下,当支架有毒时,可能发生支架排斥反应和周围组织的局部死亡。
支架材料应该是可生物降解的,其降解产物应该是无毒的,并且应该很容易被人体从植入部位清除,从而消除了进一步的需要手术移除它。支架的降解速率应调整以匹配的速率组织再生这样一旦组织修复就会完全消失。
用于支架制造的生物材料
若干可生物降解材料,包括合成[12-14]和自然的[15-17]聚合物作为骨骼的支撑支架已经被充分探索过了吗组织工程应用程序。其中,自然衍生聚合物特别令人感兴趣的原因是,作为生物结构的天然成分,它们在生物学和化学上与天然组织相似[18].
在上个世纪,对于外科植入,生物相容性的比如金属,陶瓷而且聚合物已被广泛应用。陶瓷金属为医疗领域的重大进步做出了贡献,主要是在矫形组织替换方面。但是金属和陶瓷不可生物降解,其可加工性非常有限。因此,高分子材料因其易控制的生物降解性和加工能力而受到越来越多的关注并被广泛应用[19-24].有些是自然产生的生物材料它们的应用程序列于(表1.)
材料类型 | 应用程序 | 引用 |
---|---|---|
蛋白质生物材料 | ||
胶原蛋白 | 骨,软骨,心脏,韧带,神经,脉管系统 | baharand et al. (2006);巴蒂斯塔等人(2005);Chan et al. (2007);Chen et al. (2003);Daya等人(2007);gercht - nir et al. (2003);Ma et al. (2004);Michelini等人(2006);Noth et al. (2005);O 'Connor等人(2000); Sumanasinghe et al. (2006); Watanabe et al. (2007) |
纤维蛋白 | 软骨,神经,脉管系统 | Catelas等人(2006);Gurevich et al. (2002);Im et al. (2005);Liu et al. (2006);Willerth等人(2006);Willerth等人(2007);沃斯特等人(2001) |
丝绸 | 骨骼,软骨,肝脏 | Altman et al. (2002);Hofmann et al. (2007);Hofmann et al. (2006);Kim et al. (2005);Mauney等人(2007);Meinel et al. (2005);Meinel et al. (2004a);Meinel et al. (2004b);Meinel et al. (2004c);王等(2005) |
多糖基生物材料 | ||
琼脂糖 | 软骨,心脏,神经 | Ando等人(2007);Awad等人(2004);Chen等(2007b);芬格等人(2007);Huang et al. (2004);Mauck et al. (2006);Moriyasu et al. (2006) |
藻酸盐 | 软骨,肝脏,神经,脉管系统 | Ashton et al. (2007);Awad等人(2004);Franzesi等人(2006);gercht - nir等人(2004);Hannouche等人(2007);Jin et al. (2007);Maguire等人(2006);Prang et al. (2006);Wayne et al. (2005) |
透明质酸 | 脂肪,软骨,神经,皮肤,血管 | angel等人(2007);Chen et al. (2007a);Flynn et al. (2007);Flynn et al. (2008);Gerecht et al. (2007);Mehlhorn等人(2007);迈尔斯等人(2007) |
壳聚糖 | 骨骼,软骨,神经,皮肤 | Cho et al. (2007);Franzesi等人(2006);砾石等(2006);Mrugala等人(2007);PP等人(2005) |
聚合物生物材料 | ||
PLGA | 脂肪,骨骼,软骨,肌肉,神经 | Bhang et al. (2007);Chastain et al. (2006);Choi et al. (2005), (2007);Graziano等人(2007);Kim et al. (2003);Kim et al. (2006);Levenberg等人(2005);Levenberg等人(2003);Neubauer等人(2005);Sun et al. (2007); Teng et al. (2002); Tomita et al. (2005); Uematsu et al. (2005); Xin et al. (2007); Yoon et al. (2007) |
挂钩 | 脂肪,骨骼,软骨,肝脏,心脏,神经 | Benoit and Anseth, (2005);Benoit et al. (2007);Buxton等人(2007);Ford等人(2006);Hwang et al. (2006);Mahoney and Anseth, (2006), (2007);努特尔曼等人(2004);罗伊斯·海因斯等人(2007);Salinas et al. (2007);Shin等人(2004); Stosich et al. (2007); Underhill et al. (2007); Varghese et al. (2008) |
肽基生物材料 | ||
-- | 骨骼,神经 | Garreta等人(2007);Garreta等人(2006);Gelain et al. (2006);Hamada et al. (2008);Hosseinkhani等人(2006);Silva等人(2004) |
陶瓷生物材料 | ||
-- | 骨、软骨 | Arinzeh et al. (2003);Arinzeh等人(2005);Bruder et al. (1998);丹尼斯和卡普兰,(1993);戴森等人(2007);Gao et al. (2001);Hanada et al. (1997);Kitamura等人(2004);Kotobuki et al. (2005);Kruyt等人(2006); Lennon et al. (1995); Marcacci et al. (2007); Meseguer-Olmo et al. (2007); Ohgushi et al. (1996); Shimaoka et al. (2004); Toquet et al. (1999); Turhani et al. (2005); Yamada et al. (2003); Yang et al. (2006) |
表1:患者年龄分布(n=45),(男性=25)。
合成聚合物
脂肪族聚酯,如聚乙醇酸(PGA),聚乳酸(PLLA),它们的共聚物(如PLGA)和聚己内酯(PCL)是最常用的聚合物为组织工程脚手架应用[26].虽然这些材料已经取得了很大的成功,因为它们可以用量身定制的结构制造,而且它们的降解特性可以通过改变聚合物本身或单个聚合物的组成来控制[27-29].但它们也有缺点,包括由于生物活性降低而产生排斥反应的风险。此外,PLLA和PLGA的降解过程也存在问题,因为它们通过水解降解,产生二氧化碳,从而降低局部pH值,从而导致细胞和组织坏死[30.].因此,最近的研究包括大量使用自然发生的聚合物在组织工程字段。
壳聚糖和海藻酸盐的结构
壳聚糖是葡萄糖胺和n -乙酰氨基葡萄糖胺的天然阳离子氨基多糖(pKa 6.5)共聚物,由几丁质的碱性部分脱乙酰而获得。壳聚糖是一种DA含量低于40%(即DD含量超过60%)的共聚物,在大多数情况下,这种共聚物可溶于稀酸。生物来源和提取工艺对壳聚糖质量有影响。壳聚糖分离自甲壳类来源,如虾和蟹壳和鱿鱼骨板具有高分子量低多分散性。(图。2)表示壳聚糖的结构。
纯壳聚糖无抗原效应,生物相容性好,无毒,可生物降解,极性强。它已被用于制备各种形式的粉末,水凝胶,纤维,膜,珠子和多孔支架,这些已在许多医学和生物学应用中进行了测试。采用冷冻干燥法和冷冻凝胶法制备了壳聚糖支架,并对其力学和生物学性能进行了表征。
壳聚糖的特性使其能够快速凝血,并获准用于绷带和其他用于快速止血和减少失血的止血剂。壳聚糖盐可与其他材料混合以使其更具吸水性(如与海藻酸盐混合),或改变壳聚糖盐的溶解度和生物吸收率。壳聚糖可用于将药物输送到酸性环境中,在酸性环境中,壳聚糖包装会降解,将药物释放到所需的环境中。胰岛素的转运就是一个例子。
海藻酸盐通常从海藻中提取,如褐藻,或从一些细菌中提取。它们由1-4连在一起的β-D-甘露醛酸(M)和α- l -古鲁醛酸(G)的不分枝二元共聚物组成,成分差异很大。该结构受海藻来源和杂草生长条件的影响。海藻酸盐具有羧基端基,因此被称为阴离子黏黏聚合物。(图。3)表示海藻酸钠的结构。
海藻酸盐支架的使用组织工程然而,由于其机械性能较弱,缺乏细胞相互作用和不可控制的退化,应用受到限制。由海藻酸盐制成的支架柔软而脆弱,这可能会限制其作为组织再生模板的进一步应用。
由于藻酸盐亲水,藻酸盐支架对蛋白质的吸附能力有限;因此,大多数细胞不要粘附在脚手架上。此外,一旦支架溶解在介质中,二价阳离子的损失进入周围的介质导致离子交联海藻酸盐的不可控制的降解。为了改善这些局限性,我们提出用壳聚糖作为增强材料制备多孔藻酸盐-壳聚糖复合支架。
Chitosan-alginate复合材料
壳聚糖和海藻酸盐单独有低机械强度高,降解率高。因此,应将其应用于复合材料中,以改善材料性能,降低降解率。
壳聚糖和海藻酸盐混合后会形成多离子复合物。增田等人证实了海藻酸盐的羧基阴离子与壳聚糖的氨基阳离子可以形成络合物图。4.这些复合物以1.1到1.2的比例8混合形成,这取决于所使用的特定壳聚糖和海藻酸盐,形成非均质结构,在笨重的支架上产生相对粗糙的表面[31-33].其结构性能和产率取决于这两种组分的混合比例。低浓度壳聚糖和海藻酸盐(<3%w/v)常用于药物释放的珠子或薄膜的合成,特别是生长因子的释放,因为中性凝胶形成条件有利于这些基于蛋白质的生长因子的合并[34],但我们使用高浓度(>3%w/v)壳聚糖和海藻酸盐来制作支架。高浓度杂化壳聚糖-海藻酸盐支架将在后面的章节中进一步讨论。
壳聚糖-海藻酸盐复合材料的另一个主要特点是不需要进行一定的改性而获得较好的效果。由于两者具有相反的电荷,相互作用形成三维多孔结构支架,它们也是自功能化的有机分子,因此可以减轻繁琐的功能化过程。Chi-Alg复合材料的广泛应用药物输送蛋白质输送,伤口愈合,肌腱和韧带组织工程和椎间组织工程(图。5).
壳聚糖-海藻酸盐(CA)支架的应用
壳聚糖
另一种已被探索的多糖组织工程应用是壳聚糖。它是由几丁质脱乙酰衍生的,由氨基葡萄糖单位组成。此外,壳聚糖支架的凝胶化速率可以通过ph值来控制。壳聚糖已被广泛用作再生皮肤、骨骼和神经组织的材料,最近还被研究用于与干细胞结合使用。其中一项研究观察了这种3D支架促进小鼠间充质干细胞成骨分化的能力细胞[35]。这项研究表明,添加另一种海藻衍生物质corraline可以随着时间的推移增强骨钙素的释放,这对骨形成很重要。骨骼则是另一种方法组织工程使用脂肪来源的间充质干细胞细胞在壳聚糖颗粒内播种,然后聚合成支架[36].壳聚糖支架也被证明适用于小鼠胚胎干细胞的培养以及干细胞的扩增细胞源自人类脐带血[37].为软骨组织在工程方面,一项体内研究观察了壳聚糖支架植入间充质干细胞的效果细胞转化生长因子-β治疗绵羊髌骨病变[38].这些细胞分化为类软骨细胞,证明该策略在体内有效。这些研究表明,这些支架支持干细胞分化两在体外而且在活的有机体内(图。5).
藻酸盐
海藻酸盐来自于褐藻的细胞壁,通过离子交联形成支架,允许包裹细胞。许多研究评估了海藻酸盐支架作为生成软骨的平台[39,40].两者均为脂肪来源的成茎细胞以及骨髓来源的间充质干细胞细胞在这些研究中已被证明能在软骨细胞中存活和分化。海藻酸盐也被用于神经组织工程应用程序。一项研究表明,成人神经祖细胞细胞海藻酸盐支架内的种子在体内可存活2周脊髓受伤模型[41].另一项研究开发了可调海藻酸盐支架,通过加入微球,随着时间的推移释放酶来降解支架。这些支架成功地用于神经前体细胞的培养细胞增加了它们的增殖率细胞在不含微球的海藻酸盐支架中培养[42].海藻酸盐支架也与ES联合使用细胞产生肝细胞及血管[43) (图。5).
壳聚糖-海藻酸盐(CA)复合支架
CA在生长因子释放和药物传递中的支架作用
在这里,细胞生长因子被包裹或播种在支架中,并进入体内。在此之前,各种形式的CA聚电解质复合物已被用于包封和传递蛋白质或药物通过操纵两者之间的关联程度聚合物官能团及其随ph值变化的电荷密度[44,45].例如,CA自组装聚电解质多层膜已被用于固定抗体[45],双交联CA混合凝胶珠被证明具有胃肠道特异性蛋白释放[46],以及载药的聚电解质复合CA纤维在3周内释放带电化合物,如牛血清白蛋白(BSA)、血小板衍生生长因子-bb (PDGF-bb)和阿维丁[47].
此外,用壳聚糖和海藻酸盐的聚电解质复合物(PEC)制备了三维支架bFGF[48].同样,为了评估混合海绵作为潜在伤口敷料或基质的效用,制备了海藻酸钠和壳聚糖组成的海绵组织工程应用程序。这样的海绵也被用于控制释放paracitamol [49].李敏等。[50]表明CA支架以微粒形式作为成骨蛋白载体。
CA支架在组织工程中的应用
之前已经进行了关于在支架中使用有机和无机材料(包括壳聚糖和海藻酸钠)的研究。然而,关于壳聚糖和海藻酸钠组成的支架的机械稳定性和强度的研究很少。壳聚糖-海藻酸盐以支架、珠子、水凝胶和薄膜的形式多次用于与各种细胞类型的附着,并研究了其相互作用。陈等人。[51]对壳聚糖-海藻酸盐骨支架进行了分析。在这个实验中,他们检查了支架的结构完整性以及粘附性细胞在不同的条件下。Florczyk等人[52]使用壳聚糖-海藻酸盐支架研究前列腺的相互作用癌症细胞和淋巴细胞在体外.丽兹,张,提格利和古穆斯德里里奥格鲁[53,54]使用壳聚糖-海藻酸盐支架来研究软骨和骨组织工程。同样,人类胚胎干细胞、肝细胞和纤维环细胞、胶质瘤肿瘤用于各种应用的壳聚糖-海藻酸盐支架上培养的细胞[55-59].
还进行了一些改进,增强了壳聚糖-海藻酸盐支架作为多种细胞类型的培养系统的使用[60].用半乳糖化壳聚糖支架和海藻酸盐培养NIH 3T3肝细胞细胞增强肝细胞的肝功能。与海藻酸盐的一些组合,如聚吡咯-海藻酸盐与壳聚糖用于骨组织工程[61].然而,Ma和Sutradhar等人也研究了与透明质酸盐的另一种组合用于软骨再生。[62,63]显示了壳聚糖-海藻酸珠与脱矿骨基质的作用,增强软骨形成。该研究表明,在壳聚糖-海藻酸珠中与DBM共培养的软骨细胞增殖增强,同时保持软骨细胞圆形形态,显示出优于海藻酸珠的生物学和力学性能,这提高了使用壳聚糖-海藻酸盐作为骨软骨修复和再生的改进替代品的可能性。梁等人。[64]研究了壳聚糖-海藻酸盐支架培养体系肝细胞癌这会增加恶性肿瘤和耐药性。
他们已经证明了CA支架系统是一个高度可复制的,多用途的模型与评估的直接应用肿瘤新型抗癌疗法的行为与疗效。等等。65],演示的评估骨髓间充质干细胞细胞将其植入BCII和壳聚糖-明胶复合支架中,并在动态培养系统中培养体外新软骨再生。何塞等人[66]研究了可调节脂肪间充质干生物活性的壳聚糖-胶原支架细胞用于组织工程。克鲁兹等人[67]显示间充质茎分化细胞壳聚糖支架具有宏观和微观双重孔隙率。在具有微孔和大孔的壳聚糖支架中,GBMSCs能够在培养4周后粘附并逐渐增殖。克里斯蒂安[68]研究了干细胞/生物材料组合用于干细胞组织工程的评估。他们使用了多种生物材料-干细胞的组合,并研究了细胞的粘附,增殖,迁移,活力特性,这些特性在用作药物时是必不可少的组织工程构造。Pandimadevi等人[69]展示了一种新型伤口敷料纤维蛋白-壳聚糖-海藻酸钠复合片的应用,并应用于犬的临床伤口,以寻找其作为伤口敷料的疗效,研究仍在进行中。邵和亨特[70]在第52届骨科研究学会年会上发表了题为《开发海藻酸盐/壳聚糖复合纤维支架用于椎间盘环空纤维细胞》的论文。本研究证明了海藻酸盐壳聚糖杂化支架制备及支持纤维环细胞生长的可行性。郑等人。[71]开发了静电纺壳聚糖-海藻酸盐纳米纤维,使用原位聚电解质络合组织工程支架。纳米纤维支架具有促进细胞粘附和增殖的作用,为临床应用提供了广阔的前景组织再生策略。他等人。72]研究了壳聚糖-海藻酸盐支架的生成和降解在体外细胞培养。结果表明细胞在壳聚糖海藻酸盐支架中是可行的细胞在支架中培养后可可靠地释放用于研究。这些支架可用于支持各种类型的细胞,是模拟的一个很好的工具在活的有机体内条件在体外更密切。
近年来,壳聚糖/明胶-海藻酸盐支架已被广泛应用组织工程可以直接植入的构造在活的有机体内在播种干细胞/祖细胞后。kateson - globa等人。[73萱孟等。[74]研究了3D培养系统的使用干细胞讨论文化与干的关系细胞三维生长基质,包括细胞外基质、支架、可溶性因子、细胞-细胞相互作用和剪切的作用压力在此环境中的影响。弗朗西斯等人。[75]表明C/A支架是一种很有前途的用于神经引导支架的候选者,因为它能够支持神经元附着和DRG神经炎的线性排列生长。安徒生等人[76]汇编了有关藻酸盐,特别是藻酸盐水凝胶在培养中的使用的信息细胞在3 d。张等。[77]研究了间充质茎的增殖和分化细胞海藻酸盐-壳聚糖-海藻酸盐微胶囊。
结论
综上所述,生物材料被定义为“用于医疗设备的不可存活的材料,旨在与生物系统相互作用;由欧洲学会授予生物材料(ESB)于1976年提出,然而,ESB目前的定义是一种“旨在与生物系统相结合,以评估、增强、治疗或替代身体的任何组织、器官或功能的材料”。这种定义上的微妙变化表明了这个领域是如何生物材料进化而来的。通常有三组个体生物材料生物陶瓷、合成聚合物除了天然聚合物外,还用于组织工程支架的制备。每一种生物材料都有其独特的优点,不用说,也有缺点,因此使用由不同相组成的复合支架正变得越来越普遍。壳聚糖-海藻酸盐支架的使用药物输送而且组织工程介绍了本综述的应用。壳聚糖-海藻酸盐支架都是多糖,天然存在,可生物降解和生物相容性的有机分子,这是使用它们的主要原因。当它们结合在一起时,它们具有理想的机械强度和稳定性。因此,它们可以作为一种潜在的材料组织工程应用程序。
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