Este artigo seleciona 7 estudos originais publicados entre 2012 e 2024, abrangendo equipes da China, Estados Unidos e México, bem como trabalhos de cooperação internacional, para uma revisão narrativa. O conteúdo concentra-se em evidências relacionadas a materiais e culturas in vitro; alguns artigos incluem também estudos animais, mas este texto não descreve experimentos com células humanas como eficácia clínica em humanos.
01Bases para cultura celular e arcabouços tridimensionais: primeiro, definir o que se pretende observar
No desenvolvimento de materiais para cultura celular, é necessário primeiro definir claramente a questão experimental: deseja-se melhorar a adesão inicial, observar o alinhamento e a migração, ou permitir que as células entrem numa estrutura de espessura definida e depositem matriz? Esses objetivos correspondem a diferentes requisitos de porosidade, suporte e superfície. Os resultados da cultura planar convencional devem ser avaliados separadamente da distribuição celular dentro de arcabouços tridimensionais; não se pode afirmar que a cultura tridimensional foi alcançada apenas com base na espessura aparente do arcabouço.3,4,5,6
| Requisitos da cultura | Estruturas fibrosas passíveis de discussão | Observações principais |
|---|---|---|
| Cultura planar e triagem de materiais | Membranas de fibras aleatórias e membranas com modificação de superfície | Adesão, viabilidade, espalhamento e fenótipo-alvo das células 1,2 |
| Células e tecido matricial orientados | Estruturas compósitas com fibras alinhadas e componentes removíveis | Direção do alinhamento, imersão e distribuição da matriz 5 |
| Cultura celular tridimensional | Fibras multiescala, malhas escritas diretamente e arcabouços espumados | Distribuição interna das células, conectividade dos poros e manutenção da forma 3,4,6 |
“Arcabouço tecidual genérico” refere-se aqui a uma plataforma de material ajustável a diferentes células e objetivos experimentais, e não a uma fórmula única adequada a todos os tecidos. Os pesquisadores ainda devem informar a origem celular, as condições de cultura, o período de cultura e as funções que desejam preservar ou induzir.1,2,3,4,5,6,7
02Do material à estrutura porosa: quais variáveis podem ser ajustadas pela eletrofiação
A eletrofiação pode transformar polímeros sintéticos e componentes como proteínas em fibras; também é possível preparar primeiro um arcabouço e, em seguida, realizar a fixação superficial ou o pós-tratamento. A mistura não altera apenas a composição, mas também pode modificar simultaneamente o estado da solução, o tamanho das fibras e a molhabilidade. Portanto, ao comparar duas formulações, as alterações estruturais devem ser analisadas em conjunto com os resultados celulares.1,2,3,7
Em termos estruturais, podem ser discutidos a espessura das fibras, o arranjo aleatório ou ordenado, a coexistência de fibras em diferentes escalas e a sobreposição de camadas de malha. Fibras mais finas favorecem a formação de uma interface de contato extensa, mas o empacotamento denso pode limitar a penetração celular para o interior. O projeto do arcabouço deve encontrar, entre área de contato, porosidade, suporte e comportamento celular, uma combinação adequada ao projeto em questão.3,4,5
03Interface de adesão celular: mistura com proteínas e pós-modificação do colágeno
Mistura de queratina da lã com PCL
Wu e 2018, em anos indicados, extraíram queratina regenerada da lã, misturaram-na com PCL e realizaram a eletrofiação, comparando a molhabilidade, a degradação e o desempenho em cultura celular de diferentes proporções. O experimento com fibroblastos de camundongo por 7 dias mostrou que os sistemas contendo queratina melhoraram a adesão e a viabilidade celulares. Isso indica que proteínas naturais podem atuar como componentes que regulam a interface de contato de polímeros sintéticos, sem a necessidade de assumir isoladamente as funções de fibrogênese e suporte.1
Os resultados deste estudo derivam de um método específico de tratamento da queratina, do sistema PCL e de um modelo celular. Após a substituição da fonte de matéria-prima ou do processo de extração, o desempenho de fibrogênese e celular da formulação ainda precisa ser revalidado; “origem natural” não pode ser diretamente equiparada a boa biocompatibilidade em todas as aplicações.1
Primeiro, fiar o arcabouço PVA e, em seguida, conectar o colágeno
Em 2023, a equipe mexicana de Pérez-Nava et al. adotou outra abordagem: preparou primeiro nanofibras de álcool polivinílico (PVA) e, por meio de reações subsequentes, fixou o colágeno à superfície. Combinando caracterização química, propriedades mecânicas nos estados seco e úmido e cultura de células HEK-293, observou-se melhora da biocompatibilidade após a funcionalização da superfície. Isso demonstra que os componentes biológicos não precisam necessariamente passar pelo mesmo solvente de fiamento e processo de formação de fibras, podendo também ser introduzidos após a formação do arcabouço.2
Para o desenvolvimento de amostras, isso significa que “como estabilizar a formação do filme” e “com qual superfície as células entram em contato” podem ser separados em duas variáveis comparáveis. Durante a pós-modificação, também devem ser monitorados o grau de ligação, a lavagem e a manutenção no estado úmido, evitando-se concluir que uma camada funcional estável se formou na superfície apenas porque o colágeno foi adicionado à solução.2
04Permitindo a entrada celular no interior: fibras multiescala, escrita direta e componentes removíveis
Fibras micrométricas fornecem espaço; nanofibras fornecem contato
Li e 2016, em anos indicados, utilizaram eletrofiação sem agulha com disco para comparar a estrutura em nanoescala da gelatina PCL/ com estruturas multiescala micro e nanométricas. Os arcabouços multiescala apresentaram poros maiores, e os resultados de cultura com fibroblastos de camundongo e células estromais da medula óssea de rata demonstraram melhor proliferação e penetração interna. O estudo distinguiu “uniformidade das fibras” de “adequação da estrutura de cultura”: nem todas as aplicações exigem fibras completamente uniformes.3
Posicionamento dos poros por escrita direta de campo próximo
He e 2018, em anos indicados, utilizaram eletrofiação de campo próximo para escrever malhas diretamente e as empilharam camada por camada, construindo um arcabouço de hidroxiapatita PCL/ com diâmetro médio de poro relatado de aproximadamente 167 micrômetros. Osteoblastos pré-cursores de camundongo MC3T3-E1 foram capazes de aderir, proliferar e apresentar alterações relacionadas à diferenciação na estrutura tridimensional. Isso oferece um método para arcabouços de cultura que exigem um arranjo poroso descritível, embora esse diâmetro de poro não constitua um padrão universal para todas as células.4
Removendo parte das fibras para criar canais de penetração interna
Baker e 2012, em anos indicados, coletaram conjuntamente fibras de PCL, de degradação mais lenta, com fibras solúveis de polióxido de etileno (PEO), removendo posteriormente o PEO. A cultura de células derivadas do menisco humano mostrou que o aumento da proporção de componentes removíveis favoreceu a distribuição interna de células e matriz, enquanto as fibras alinhadas remanescentes continuaram a fornecer orientação estrutural. O estudo também observou que a tração celular pode deformar estruturas mais frouxas, razão pela qual a fixação das bordas foi empregada na cultura de longo prazo. Resultados in vitro com células humanas não representam o efeito da implantação em pacientes.5
05Forma tridimensional e estabilidade no estado úmido: inserindo a amostra efetivamente no processo de cultura
Gao e 2018, em anos indicados, colocaram membranas eletrofiadas em moldes impressos em 3D e, por meio de um processo de espumação, formaram arcabouços espumados e estratificados com geometria predeterminada, realizando avaliação celular in vitro. O estudo também utilizou bioimpressão para posicionar inicialmente as células e observou sua migração do hidrogel para o arcabouço. Isso demonstra uma combinação de eletrofiação, moldagem e métodos de posicionamento celular, adequada para inspirar projetos de cultura que exigem tanto forma quanto distribuição espacial específicas.6
Gu e 2024, em anos indicados, focaram numa questão mais prática: a contração de arcabouços de fibras PLGA após a entrada no ambiente de cultura. Introduziram PCL e sericina em PLGA, avaliando separadamente a estabilidade dimensional, a molhabilidade, a degradação in vitro e a proliferação celular. Os resultados apoiam o uso de componentes compósitos para melhorar a estabilidade dimensional no estado úmido e a resposta celular, indicando que a manutenção da forma da amostra já faz parte do desenvolvimento da plataforma de cultura.7
Esses dois estudos correspondem a necessidades distintas: o primeiro constrói ativamente uma geometria tridimensional, enquanto o segundo reduz deformações não intencionais durante o uso. Na seleção prática, deve-se primeiro determinar se é necessária deformação livre, fixação numa moldura de cultura ou integração com outros arcabouços; somente depois devem ser discutidos os métodos de coleta e pós-tratamento.6,7
06O que “eficácia” significa especificamente nos experimentos celulares
Coloração de viabilidade, detecção metabólica, contagem celular, profundidade de penetração e marcadores funcionais não respondem à mesma pergunta. O aumento do número de células pode ser vantajoso para estudos de expansão, mas, se o objetivo for manter um fenótipo específico, devem ser combinados exames morfológicos, de expressão ou funcionais. Ao comparar estudos, também se devem considerar a origem celular, a densidade de inoculação, o tempo de cultura e os controles, em vez de classificar os materiais apenas com base numa determinada porcentagem de proliferação.1,2,3,4,5,6,7
Linhas celulares humanas ou células derivadas de tecidos humanos ainda podem ser utilizadas em estudos in vitro; isso não as qualifica como ensaios clínicos em humanos. Os materiais e resultados de cultura citados neste texto servem principalmente para identificar estruturas e variáveis experimentais passíveis de estudo; eles não demonstram diretamente a formação de tecido implantável, nem provam, por si sós, a restauração da função orgânica.2,5,6
07De uma membrana experimental a amostras de cultura comparáveis
Ao comunicar as necessidades de preparação, é possível informar primeiro o tipo celular, o propósito da cultura e a morfologia da amostra: discos a serem inseridos em poços de cultura, membranas alinhadas fixadas em estruturas, arcabouços em malha ou estruturas tridimensionais com espessura definida. Em seguida, devem ser especificados a direção das fibras, a espessura ou densidade superficial, os poros efetivos, o local de amostragem e as dimensões no estado úmido, de modo que a configuração do equipamento atenda aos alvos mensuráveis.
Membranas aleatórias geralmente priorizam o fornecimento estável de líquido e a coleta uniforme; arranjos ordenados exigem atenção ao método de coleta e à consistência direcional; a escrita direta em campo próximo demanda atenção às trajetórias e à sobreposição entre camadas; a funcionalização superficial ou estruturas celulares também exigem que o pós-tratamento seja incluído no registro do lote. Os grupos de controle devem alterar, tanto quanto possível, apenas a variável-chave a ser estudada, evitando mudanças simultâneas na formulação, na espessura da membrana e nas condições de cultura, o que tornaria os resultados inexplicáveis.
Antes dos experimentos celulares formais, deve-se confirmar se as etapas de limpeza, remoção de resíduos, esterilização ou desinfecção, pré-umidificação e fixação alteram o material. A preparação de áreas maiores pode facilitar o corte de amostras em lote, mas ainda é necessário comparar a estrutura das fibras e a resposta celular em diferentes locais e lotes. A repetibilidade do processo do equipamento e a repetibilidade do experimento biológico devem ser conectadas por meio deste registro comum de amostras.2,3,4,5,6,7
08Problemas comuns no desenvolvimento de membranas fibrosas para cultura celular
Fibras mais finas garantem necessariamente melhores resultados na cultura celular?
Não necessariamente. Fibras finas podem fornecer uma interface de contato, mas estruturas mais densas podem impedir a penetração celular em seu interior. Estudos com fibras multiescala e redes escritas diretamente sugerem que a estrutura deve ser selecionada de acordo com o objetivo da cultura superficial ou tridimensional.3,4,5
É obrigatório adicionar colágeno ou outras proteínas diretamente à solução de eletrofiação?
Não necessariamente. A co-mistura e a modificação superficial pós-eletrofiação são duas abordagens distintas. É preciso considerar as condições de tratamento da proteína, sua capacidade de formar fibras, sua apresentação superficial e sua estabilidade no estado úmido, comparando qual abordagem é mais adequada para o experimento planejado.1,2
Pode-se chamar diretamente uma membrana comum eletrofiada de arcabouço para cultura tridimensional?
Deve-se observar se as células penetram na direção da espessura e se, em seu interior, se formam distribuições repetíveis e comportamentos alvo. A espessura do arcabouço ou a presença de poros na micrografia não respondem a essas questões de forma independente.3,4,5,6
Referências
A seguir, apresentam-se os estudos originais utilizados neste artigo, resumidos de forma independente pela TONGLI. A interpretação da literatura não indica que os autores dos artigos, as instituições de pesquisa ou a TONGLI mantenham relações de compra de equipamentos ou de cooperação. O escopo específico de leitura consta nas observações de cada referência bibliográfica.
As referências bibliográficas mantêm o idioma original da publicação para facilitar a consulta.
Wu P, Dai X, Chen K, Li R, Xing Y. Fabrication of regenerated wool keratin/polycaprolactone nanofiber membranes for cell culture. International Journal of Biological Macromolecules. 2018;114:1168–1173.
DOI：10.1016/j.ijbiomac.2018.03.157 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo e da bibliografia de PubMed
Pérez-Nava A, Espino-Saldaña AE, Pereida-Jaramillo E, et al. Surface collagen functionalization of electrospun poly(vinyl alcohol) scaffold for tissue engineering. Process Biochemistry. 2023;126:1–14.
DOI：10.1016/j.procbio.2022.12.022 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação dos registros de publicações da instituição do autor
Li D, Chen W, Sun B, et al. A comparison of nanoscale and multiscale PCL/gelatin scaffolds prepared by disc-electrospinning. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2016;146:632–641.
DOI：10.1016/j.colsurfb.2016.07.009 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo e da bibliografia de PubMed
He FL, Li DW, He J, et al. A novel layer-structured scaffold with large pore sizes suitable for 3D cell culture prepared by near-field electrospinning. Materials Science and Engineering C. 2018;86:18–27.
DOI：10.1016/j.msec.2017.12.016 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo e da bibliografia de PubMed
Baker BM, Shah RP, Silverstein AM, et al. Sacrificial nanofibrous composites provide instruction without impediment and enable functional tissue formation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2012;109:14176–14181.
DOI：10.1073/pnas.1206962109 ↗Escopo da leitura: resumo e seção de resultados do artigo original de PMC; a parte deste artigo que cita a cultura in vitro de células derivadas de menisco
Gao Q, Gu H, Zhao P, et al. Fabrication of electrospun nanofibrous scaffolds with 3D controllable geometric shapes. Materials & Design. 2018;157:159–169.
DOI：10.1016/j.matdes.2018.07.042 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo e da bibliografia da revista
Gu P, Mao Y, Lu W, Chen W. Silk fibroin incorporated electrospun aliphatic polyester nanofiber scaffolds with excellent dimensional stability and cytocompatibility. European Polymer Journal. 2024;211:113039.
DOI：10.1016/j.eurpolymj.2024.113039 ↗Escopo da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo original e das conclusões da revista
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