Nanomaterialien zur Verbesserung der regenerativen Medizin

Abbildung 2 Nanomaterialien mit direkter Hemmwirkung auf die Immunantwort Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanoparticles and direct immunosuppression.1 May, 2016 Experimental Biology and Medicine 106 Volume:241 issue:10, pages:1064-1073; https://doi.org/10.1177/1535370216650053 https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1535370216650053

Strategien zur Immobilisierung von Nanomaterialien und Biomolekülen auf Implantatoberflächen

Wie wir bereits erwähnt haben, gibt es zwei Hauptgründe, die Oberfläche eines Implantats zu beschichten:entweder um seine Biokompatibilität zu erhöhen (um zu verhindern, dass das Immunsystem es angreift) oder um Biomoleküle zu fixieren, die die Zellproliferation stimulieren und steuern (um die Implantat mit patienteneigenem Gewebe).

Die Idee, ein biologisch abbaubares Gerüst (mit Wachstumsfaktoren beschichtet) zu implantieren, das im Laufe der Zeit durch das Gewebe des Patienten ersetzt wird, ist ein Thema, das wir bereits in Von PLA zum Biodruck:Science-Fiction-Tools für den medizinischen Bereich . Solche Gerüste befinden sich noch in der Forschungsphase, aber es ist nur eine Frage von Jahren, bis sie möglicherweise in die klinische Praxis eintreten.

Die Erhöhung der Biokompatibilität von Fremdmaterialien ist eine aktuelle Notwendigkeit für die Industrie. Damit der menschliche Körper ein implantiertes Biomaterial nicht abstößt, müssen wir die Beschichtung (Nanomaterialien oder Biomolekül-Nanomaterial-Komplexe), die das Immunsystem regulieren, auf die Oberfläche unseres Implantats kleben. Wenn also eine Zelle des Immunsystems ihr zu nahe kommt, hemmt die Beschichtung die Zelle und verhindert die Entstehung einer Entzündungsreaktion um das Implantat herum.

Aber wie können wir eine solche Beschichtung herstellen?

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, die Beschichtung auf ein Implantat zu „kleben“:nicht-kovalente Immobilisierung und kovalente Immobilisierung.

Nicht-kovalente Immobilisierung (NCI):

NCI ist die einfachste und billigste Methode, um das Implantat zu beschichten, aber es hängt weitgehend davon ab, wie hydrophil das Implantatmaterial ist. Es basiert auf den elektrostatischen Ladungen, die eine Anziehungskraft zwischen dem Material, das wir implantieren, und der Beschichtung erzeugen würde.

Diese Methode bietet eine schnelle Freisetzung von Biomolekülen und ist daher am bequemsten, wenn wir an einer abrupten, aber kurzlebigen Reaktion interessiert sind. Sein größter Vorteil sind darüber hinaus die niedrigen Herstellungskosten.

NCI kann entweder durch Adsorption (winzige Partikel mit Größen zwischen 500 Å und 1 mm, die an der Oberfläche haften) oder durch Einschluss (in einer porösen Matrix eingeschlossene Partikel) aufgebracht werden. [2]

Beim Einschluss besteht die Matrix aus wasserlöslichen Polymeren wie Carrageenan, teilweise hydrolysiertem Kollagen (Gelatine), Alginat, Agar oder Zellulosetriacetat.[2, 3]

Aber was passiert, wenn das Implantatmaterial hydrophil und das Biomolekül hydrophob ist (oder umgekehrt)?

Eine einfache Idee kann eine effektive Lösung sein:die Verkapselung des Biomoleküls!

Einkapselung in die Umhüllung des Biomoleküls, die mit Polymeren wie Agarose, Poly(ethylenglykol) (PEG) oder Poly(N-vinylpyrrolidon) (PVP) leicht durchgeführt werden kann.

Ein Beispiel für diese Methode ist die Verwendung eines Polysulfongerüsts, das mit einer mit Biomolekülen angereicherten Agarosegellösung gefüllt ist, um die Regeneration von Nervenfasern zu steuern und Entzündungen zu reduzieren [4].

Wenn das Gerüst nicht ganz hydrophil ist, besteht die beste Strategie zur Immobilisierung des Biomoleküls außerdem darin, es in einer separaten wässrigen Phase über einen Prozess namens Wasser-in-Öl-in-Wasser (oder Doppelemulsion) einzukapseln. Wir können auch eine direkte Absorption auf der Materialoberfläche mit organischen Lösungsmitteln durchführen.

Ein Beispiel für ein hydrophobes Polymer, das häufig zur Immobilisierung von Biomolekülen wie Hormonfaktoren oder sogar Arzneimitteln verwendet wird, ist Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA).

Kovalente Immobilisierung (CI)

Die kovalente Immobilisierung besteht darin, eine irreversible Bindung zwischen unseren spezifischen Biomolekülen und dem Polymer herzustellen, aus dem unser Implantat besteht, indem sogenannte Vernetzungsmittel verwendet werden; das sind chemische Verbindungen, die auf eine physikalische Bedingung (Wärme, Licht…) reagieren und uns dabei helfen, eine Bindung herzustellen, die beispielsweise eine Polymerkette mit einer anderen verbinden könnte (wir könnten sie uns als Fesseln vorstellen, die durch Licht oder Wärme geschlossen werden beide Polymere verknüpfen).

Diese Methode führt zu einer viel weniger abrupten Wirkung auf das Immunsystem, obwohl sie viel länger anhält; Daher ist es vorzuziehen, es zu verwenden, wenn wir an einer langfristigen und stabilen Reaktion interessiert sind.

Der große Vorteil dieser Methode besteht darin, dass wir damit eine stratifizierte Gewebedifferenzierung durchführen können. Dies bedeutet, dass wir verschiedene Bindungspunkte in unserem Gerüst für verschiedene Faktoren entwerfen können, wodurch Regionen mit unterschiedlichen Biomolekülkonzentrationen geschaffen werden, um ein unterschiedlich strukturiertes Gewebe zu fördern.

Als Basiselement können Kollagen-Glykosaminoglykan (CG)-Gerüste verwendet werden (unter Verwendung von Carbodiimid als Vernetzer angesichts der Allgegenwart von NH2-Gruppen auf ihrer Oberfläche).

Ein Beispiel für eine kovalente Immobilisierung wäre die Konjugation von Polyethylenimin (PEI) mit Heparin zur Bildung einer Hülle, um die Biokompatibilität von NiTi-Legierungsoberflächen zu erhöhen [5].

Eine Vernetzungsmethode, die in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, ist die Verwendung von Acrylaten zur Polymerisation von PEG-Hydrogelen. Acrylate sind funktionelle Gruppen, die gegenüber ultraviolettem Licht empfindlich sind. Diese Gruppen können Peptiden (oder anderen Wachstumsfaktoren) hinzugefügt werden, wodurch die Synthese durch Photopolymerisation von Gerüsten gesteuert wird, die aus Polymer-Biomolekül-Hybriden bestehen. Die Möglichkeit, diesen Prozess in den 3D-Druck zu integrieren, um unserem Gerüst ein Strukturmuster zu verleihen, macht die Photopolymerisation zu einer der relevantesten Methoden zur Immobilisierung von Biomolekülen.

Es wurden auch alternative Photolithographieverfahren entwickelt, beispielsweise verwendet das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik eine Methode, die darin besteht, Wachstumsfaktoren mit Benzophenon (BP) an CG-Gerüste zu binden. [6, 7]

Ein anderes, selektiveres Ziel, aufgrund seiner geringeren Allgegenwart in Bezug auf die NH2-Gruppe, ist die SH-Gruppe. Crosslinker auf Sulfhydrylbasis werden häufig verwendet, um eine Beschichtung zu schaffen, die die Aktivierung des Komplements (eine sehr wichtige Komponente des Immunsystems) gegen unser Transplantat hemmt [8].