В данной работе отобрано 6 оригинальных исследований за 2016–2024 годы, в которых участвовали команды из Китая, Великобритании, США, Ирландии и Южной Кореи, а также результаты совместной работы; представлен повествовательный обзор. В качестве примера «других тканей» рассматривается культивирование скелетных мышц; отобранные публикации охватывают исследования материалов, in vitro и на животных, но не включают клинические испытания эффективности на людях.
01Сухожилия, хрящи и мышцы требуют разных структурных решений
Во всех этих направлениях могут использоваться волоконные структуры, однако нельзя применять единый критерий «чем выше показатель, тем лучше». В исследованиях сухожилий и связок часто уделяют внимание растяжению вдоль оси и ориентации клеток; в исследованиях хрящей необходимо одновременно учитывать сжатие, слоистую структуру и формирование матрикса; в исследованиях скелетных мышц ориентацию клеток, формирование мышечных трубок и совместное культивирование с клетками, связанными с васкуляризацией, рассматривают как взаимосвязанные аспекты.1,2,3,4,5,6
| Направления применения | Структурные формы, использованные в исследованиях | Соответствующая оценка |
|---|---|---|
| Восстановление сухожилий и связок | Ориентированные плёнки, свёрнутые пучки волокон, плетёные и электроформованные композиты | Растяжение, врастание ткани, ориентация коллагена и прочность восстановления 1,2 |
| Инженерия хрящевой ткани | Зонированные каркасы, армированные волокнами матрицы, носители типа «ядро–оболочка» | Сжатие, фенотип клеток, хрящевой матрикс и восстановление дефекта 3,4,5 |
| Инженерия скелетных мышц | Ориентированные волокна и опорные каркасы, совместное культивирование клеток | Ориентация мышечных клеток, формирование мышечных трубок и маркеры дифференцировки 6 |
Следует также различать каркасы для восстановления сухожилий и противоспаечные мембраны для сухожилий. В первом случае ожидается, что целевые клетки проникнут внутрь и сформируют упорядоченную ткань, тогда как во втором основное внимание уделяется изоляции окружающих тканей и защите скользящей поверхности. Даже при одинаковом названии материала требования к пористой структуре и поверхности у этих двух типов образцов могут различаться; в данной статье рассматриваются структуры для восстановления тканей.1,2
02Какую роль электроформование играет в композитных каркасах?
Слой, полученный электроформованием, может выполнять функцию основной структуры или ограничиваться контактным направлением, регулированием границ раздела или локальной доставкой. Ориентированные мембраны можно дополнительно сворачивать в пучки и комбинировать со структурами, сплетёнными из более толстых нитей; при применении для хряща электроформованные волокна также можно диспергировать в виде коротких волокон и добавлять в печатаемую матрицу. Перед выбором технологического процесса следует определить, будут ли волокна сохраняться непрерывными, собранными в пучки, уложенными слоями или распределёнными в качестве армирующего компонента.1,2,4
Особого внимания заслуживают исследования, сочетающие несколько технологических процессов. Плетёный каркас или напечатанная структура могут обеспечивать форму и опору крупного масштаба, тогда как тонкие волокна регулируют локальное окружение клеточного контакта. Конечный результат определяется всей комбинированной системой, поэтому необходимо одновременно проверять ориентацию волокон, пористость, межфазное сцепление и механические свойства во влажном состоянии; нельзя приписывать все характеристики композитного каркаса одному устройству или одному технологическому процессу.2,3,4,6
03Сухожилия и связки: от ориентированных мембран к иерархическим композитным каркасам.
Изменение способа укладки и сворачивания одного и того же PCL.
В работах Pauly и др. 2016 сравнивались плоские мембраны, изготовленные из случайных или ориентированных волокон PCL, со свёрнутыми волокнистыми пучками с целью изучения влияния геометрической формы на механические свойства и поведение клеток. Было установлено, что модуль упругости, поведение при текучести и растяжение клеток различаются в зависимости от структуры; мезенхимальные стволовые клетки жирового происхождения сохраняли жизнеспособность и пролиферировали в течение 7 дней культивирования. Данное исследование in vitro с использованием материала показывает, что способ организации волокон сам по себе является переменной проектирования, а не только компонентом полимерной формулы.1
В статье некоторые механические показатели сопоставляются с диапазонами для натуральных связок, однако это не означает, что волокнистые пучки уже способны замещать связки у человека. Для восстанавливающей структуры, длительное время подвергающейся повторяющемуся растяжению, первоначальные результаты растяжения необходимо дополнительно увязывать со свойствами во влажном состоянии, усталостным воздействием, способом фиксации и интеграцией с тканью.1
Обеспечить постепенное раскрытие опорного слоя при сохранении ориентационных ориентиров.
В работах Xie и др. 2024 градиентный деградирующий плетёный слой из PGA и шёлковой нити был объединён со слоем, полученным электроформованием и обеспечивающим ориентационное направление. Быстрее деградирующий компонент постепенно формирует каналы для проникновения, тогда как слой электроформования на разных этапах задаёт ориентиры для ориентации клеток и коллагена. В исследовании на крысах с дефектом ахиллова сухожилия наблюдались инфильтрация ткани и её ориентация, а через 8 недели проводилась механическая оценка, в ходе которой сообщалось об улучшении восстановления.2
Основной вывод этого исследования на животных заключается в том, что «структуру на момент имплантации» и «структуру после деградации» следует проектировать как единый непрерывный процесс. Простое увеличение начальной пористости или толщины нановолокон может нарушить баланс между опорой и проникновением, поэтому необходимо наблюдать за всем композитным каркасом в динамике во времени.2
04Восстановление хряща: от зональных структур к армированным волокнами матрицам.
Формирование различных структурных зон за счёт сочетания технологических процессов.
Британская группа в работе Munir и др. 2019 объединила низкотемпературную печать с электроформованием для создания многозонального каркаса PCL с различной ориентацией волокон и пористой структурой. Мезенхимальные стволовые клетки адгезировались и выживали в течение 4 недель культивирования in vitro, сохраняя показатели, связанные с гликозаминогликанами. Исследование подтверждает перспективность зональных структур в качестве платформы для культивирования хряща, однако не доказывает напрямую, что функция суставного хряща уже восстановлена у животных или пациентов.3
Короткие электроформованные волокна также могут использоваться в качестве армирующих компонентов трёхмерных каркасов.
В работе Weiming Chen и др. 2020 сообщалось о том, что электроформованные волокна желатина/PLGA были обработаны и превращены в диспергированные короткие волокна, которые затем добавили в печатаемую чернильную смесь из деклеточенной матрицы хряща. Полученный каркас сочетал заданную форму, внутреннюю пористую структуру и механические свойства во влажном состоянии; в модели дефекта суставного хряща у кролика было отмечено улучшение восстановления. В данном случае электроформование в основном обеспечивало армирующий компонент, а конечный образец состоял из волокон, деклеточенной матрицы и последующей формовки.4
Ядро-оболочечные волокна позволяют внедрить локальную доставку в исследованиях хондроцитов.
В работе Wei Chen и др. 2020 с помощью коаксиального электроформования сульфат глюкозамина инкапсулировали в волокна PCL и изучили влияние структуры, высвобождения и реакции хондроцитов суставного хряща крыс in vitro. Результаты подтверждают перспективность данного материала для стимуляции роста клеток в определённых условиях культивирования, однако имеющиеся данные ограничиваются клеточным уровнем. Цель исследования — «регенерация хряща» — не может быть сформулирована как уже достигнутое восстановление дефекта хряща.5
05Исследования скелетных мышц: одновременное достижение ориентации и соответствия клеточных типов.
Корейская группа в работах Yeo и Kim в 2020 году объединила электроформование клеток с печатью 3D, создав на коллагеновой опорной структуре PCL/ альгинатные волокна, содержащие эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVECs), а затем засеяв их миобластами C2C12 для совместного культивирования. Наблюдалось улучшение ориентации клеток, морфологии, связанной с миотрубочками, и экспрессии генов миогенеза, что связало ориентационные ориентиры волокон с взаимодействием различных типов клеток.6
Это платформа для тканевой инженерии скелетных мышц in vitro; участие эндотелиальных клеток в культивировании нельзя приравнивать к уже созданной перфузируемой сосудистой сети, а наличие маркеров миотрубочек не позволяет делать вывод о восстановлении мышечной силы. Значение работы для разработки материалов заключается в предложении переменных, которые можно изучать по отдельности: как фиксируется опорная структура, как волокна направляют клетки, какие типы клеток где размещаются и как проверять их взаимодействие.6
Процесс клеточного электроформования также отличается от последовательности, при которой сначала готовят бесклеточные волокна, а затем осуществляют их засевку. В первом случае необходимо специально проектировать параметры с учётом состояния живых клеток, биопринтерских чернил и условий эксплуатации; нельзя напрямую переносить технологические параметры обычного растворительного электроформования на системы с живыми клетками.6
06От структурного сходства к тканевой функции: доказательства необходимо выстраивать поэтапно.
Эти работы в совокупности демонстрируют ценность проектирования ориентации волокон, зональности и композитных структур, однако каждая из них отвечает на свой вопрос. Волокнистые пучки в работе Pauly, многозональный хрящевой каркас в Munir, ядро-оболочечные волокна с сульфатом глюкозамина и платформа для совместного культивирования в Yeo основаны главным образом на материалах или экспериментах in vitro; каркас для ахиллова сухожилия в Xie и композитный хрящевой каркас в Weiming Chen были дополнительно исследованы в соответствующих моделях дефектов у животных.1,2,3,4,5,6
Упорядоченный коллаген сухожилий, гликозаминогликаны или коллаген II типа в хряще, а также миогенные маркеры в мышцах помогают понять процесс восстановления, однако они не могут заменять друг друга и не могут в одиночку свидетельствовать о долгосрочной функции. При интерпретации результатов следует учитывать тип ткани, вид животного, период оценки и контрольные условия. Отобранные для данной статьи работы не содержат данных клинических испытаний на людях, поэтому на их основании нельзя утверждать, существуют ли в этой области другие исследования с участием людей.1,2,3,4,5,6
07Преобразование потребностей ткани в образцы, которые можно изготовить и исследовать
Для ориентации сухожилий следует сначала указать, является ли образец плоской заплатой, свёрнутым волокнистым пучком или плетёным композитом, а также определить основное направление нагрузки и способ фиксации; для ориентации хряща можно описать толщину, зональность, требования к сжатию, а также необходимость сочетания волокон с гидрогелем или деклеточенной матрицей; для культивирования скелетных мышц исходными данными могут служить тип клеток, их ориентация и опорная структура для культивирования. Различная информация соответствует разным конфигурациям сбора и композитной структуры.
Для ориентированных образцов следует регистрировать распределение направления волокон, а также аксиальные и поперечные различия; для слоистых каркасов — проверять межслоевое соединение и деформацию во влажном состоянии; для систем, армированных короткими волокнами, — оценивать распределение волокон и их длину совместно с последующим формованием. При непрерывном изготовлении или увеличении площади также необходимо проверять сохранение сходной структуры в разных точках, чтобы средние значения не скрывали локальных различий.
Влияние остаточных растворителей, очистки и стерилизации на биосовместимость необходимо изучать с учётом конкретной системы материалов. Если состав содержит белки, лекарственные препараты или живые клетки, следует также проверить соответствующую активность и устойчивость к обработке. Только при взаимном сопоставлении записей о технологическом процессе, данных структурного анализа и результатов биологической оценки можно определить источник различий между образцами и на этой основе обсудить функциональные возможности оборудования.1,2,3,4,5,6
08Распространённые проблемы при разработке каркасов для сухожилий, хрящей и мышц
Обеспечивают ли ориентированные волокна возможность регенерации сухожилий?
Ориентация представляет собой ценный структурный ориентир, однако её необходимо согласовывать с проникновением клеток, сохранением опоры и ремоделированием ткани. Результаты in vitro для плоских плёнок и восстановление полного дефекта ахиллова сухожилия относятся к разным стадиям доказательности.1,2
Можно ли методом электроформования изготавливать только плёнки?
Нет. В литературе описаны как намотанные волокнистые пучки, так и трёхмерные каркасы, объединённые с плетёными или напечатанными структурами, а также короткие волокна в качестве армирующих компонентов. Конечная форма определяется назначением и должна соответствовать последующей обработке.1,2,3,4
Обязательно ли для каркасов хрящей использовать структуру с ядром-оболочкой и доставкой препарата?
Не обязательно. Зональная геометрия, армирование волокнами и локальное высвобождение представляют собой разные исследовательские подходы. Следует сначала определить, решается ли задача распределения клеток, обеспечения опоры во влажной среде или доставки биологических компонентов, а затем выбрать соответствующую структуру.3,4,5
Список литературы
Ниже приведены оригинальные исследования, использованные в данной статье, независимо обобщённые компанией TONGLI. Интерпретация литературы не означает наличия у авторов статей, исследовательских учреждений или TONGLI отношений по поставке оборудования или сотрудничества; конкретный охват чтения указан в пояснениях к каждой работе.
Библиографические записи сохранены на языке оригинала для точного поиска.
Pauly HM, Kelly DJ, Popat KC, et al. Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;61:258–270.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2016.03.022 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте и сверка PubMed с записями об авторских учреждениях
Xie X, Wang X, Ding D, et al. Multilayer woven scaffolds with gradient degradation and nano guidance properties for tendon reconstruction: Continuously promoting tissue infiltration and inducing tissue alignment. Nano Today. 2024;56:102277.
DOI：10.1016/j.nantod.2024.102277 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте, проверка методов плетения и электроформования, модели ахиллова сухожилия у крыс и механической оценки через 8 недель; сверка со страницами журнала
Munir N, McDonald A, Callanan A. A combinatorial approach: Cryo-printing and electrospinning hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering. Bioprinting. 2019;16:e00056.
DOI：10.1016/j.bprint.2019.e00056 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте и аннотация журнала; местный файл содержит дополнительное исправление к заявлению о конфликте интересов за год 2020
Chen W, Xu Y, Li Y, et al. 3D printing electrospinning fiber-reinforced decellularized extracellular matrix for cartilage regeneration. Chemical Engineering Journal. 2020;382:122986.
DOI：10.1016/j.cej.2019.122986 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте и сверка с оригинальной аннотацией, методами и выводами журнала
Chen W, Wang C, Gao Y, et al. Incorporating chitin derived glucosamine sulfate into nanofibers via coaxial electrospinning for cartilage regeneration. Carbohydrate Polymers. 2020;229:115544.
DOI：10.1016/j.carbpol.2019.115544 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте и сверка PubMed с аннотацией журнала; исследование проведено на хрящевых клетках in vitro
Yeo M, Kim G. Micro/nano-hierarchical scaffold fabricated using a cell electrospinning/3D printing process for co-culturing myoblasts and HUVECs to induce myoblast alignment and differentiation. Acta Biomaterialia. 2020;107:102–114.
DOI：10.1016/j.actbio.2020.02.042 ↗Объём чтения: оригинальный полный текст на месте и аннотация PubMed; исследование проведено путём совместного культивирования клеток in vitro
Вышеизложенное содержание основано на анализе и интерпретации общедоступных научных статей. В случае нарушения авторских прав или если первоначальные авторы не желают, чтобы соответствующая информация публиковалась в такой форме, пожалуйста, свяжитесь с нами, и мы немедленно удалим соответствующий материал.