Гидрогель из целлюлозных нановолокон для улучшенной инкапсуляции и доставки клеток

Тканевая инженерия  — это медицинское решение, которое использует живые клетки для восстановления или замены структурных тканей, таких как кровеносные сосуды, кости, хрящи и т. д.  Полимерные гидрогели в твердой либо жидкой форме используются в качестве системы доставки для живых клеток, и выступают в качестве защитного слоя для содержания клеток для трансплантации пациентам для замены больных или поврежденных клеток.

В настоящее время существует два типа гидрогелей, твердый и жидкий; однако обе формы гидрогелей имеют взаимоисключающие характеристики, которые ограничивают их использование. Хотя твердые гидрогели обеспечивают защитную среду для новых клеток, они могут привести к травме от хирургической имплантации. Им также не хватает способности адаптироваться и соответствовать геометрии и механическим свойствам ткани-хозяина, что необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между хозяином и имплантатом.

Между тем, инъецируемые гидрогели не способны сохранять свою структурную целостность после инъекции, что затрудняет сохранение инкапсулированных клеток.

Потенциальное решение, которое сочетает в себе обе характеристики гидрогелей, было разработано исследовательской группой из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD). Исследователи SUTD разработали тиксогель, состоящий из 99% воды и 1% целлюлозы — гидрогеля CNF, который позволяет превратить его из твердого гидрогеля в жидкость при воздействии стресса и обратно в твердый гидрогель менее чем за минуту ( Международный журнал биологических макромолекул, «Стимулируемый инъецируемый тиксогель целлюлозы для инкапсуляции клеток» ).

Он также был проверен на высокую совместимость с клетками рака молочной железы человека, а также с эмбриональными стволовыми клетками мыши, что свидетельствует о его применимости в регенерации тканей.

Характеристика целлюлозных нановолокон Тиксотропия

Характеристика тиксотропии CNF. (a) Чувствительность гидрогеля CNF к стимулам на стресс, воздействие ультразвуком, pH и катионные факторы (белые пятна в гидрогеле представляют собой микропузырьки, образующиеся в результате кавитации во время вихревого перемешивания). (b) Диапазон модуля накопления (G?), полученный с различными факторами стимула. (c) Впрыск гидрогеля CNF в цилиндрическую форму. Гидрогель впрыскивался в состоянии низкой вязкости, что позволяло его доставлять, но быстро восстанавливал свою консистенцию после нанесения, сохраняя форму пресс-формы. (г) Дополнительные примеры конформации формы после инъекции. Гидрогель соответствовал сложным структурам и узким пространствам, прежде чем вернуться в твердое состояние.

Биологические клетки могут быть загружены в гидрогель CNF, когда он находится в более жидком, менее вязком состоянии, а затем имплантированы пациенту с помощью минимально инвазивной техники, такой как инъекция. В жидкой форме гидрогель CNF также сможет соответствовать сложным узким пространствам в ткани хозяина, прежде чем вернуться в свое твердое гелеобразное состояние. Гидрогель CNF в его более затвердевшем состоянии затем будет в конечном итоге заменен собственной тканью пациента, поскольку он обеспечивает платформу для регенерации и восстановления поврежденной ткани в процессе заживления.

Гидрогель CNF сделан из целлюлозы, наиболее распространенного органического полимера на Земле и содержит 99% воды и клеточных сред. Это позволяет клеткам жить и расти, что делает их подходящей средой в качестве носителя для здоровых тканей и клеток. Кроме того, поскольку переход гидрогеля CNF из твердого гидрогеля в жидкость обеспечивается за счет поглощения стресса, этот стресс не передается клеткам, что эффективно позволяет им пережить процесс перехода и обеспечить высокую смертность клеток во время доставки.

«Универсальность гидрогеля CNF и его высокая совместимость с клетками рака молочной железы человека, а также с эмбриональными стволовыми клетками мыши обеспечивает трамплин для различных применений, не ограничиваясь только носителем для инкапсуляции клеток; гидрогели CNF также могут потенциально использоваться в биопечати, которая включает печать клеток и искусственных органов, а также для воспроизведения сложных заболеваний, таких как рак, в контролируемой среде лаборатории », — сказал доцент SUTD Хавьер Гомес Фернандес.