$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Obecnie dostępne metalowe implanty nadają się do zastosowań nośnych, ale ich niedegradowalność wymaga konstrukcji, które zapewniają silne połączenie z otaczającą je tkanką 1. Zapewniając struktury, które ułatwiają rozwój komórkowy i kolonizację in vivo, można przedłużyć żywotność implantów metalowych 2. Otwarcie porowate implanty metalowe są obiecującymi materiałami do inżynierii granicy faz tkankowych, a także do zapewnienia dobrej kolonizacji implantów. Są one aktywnie stosowane jako implanty ortopedyczne, a także jako implanty tchawicy 3-5. Jednak nadal istnieją problemy, które należy rozwiązać, takie jak precyzyjna kontrola ruchu komórek w obszarach porów. Brak kontroli nad tym procesem może prowadzić do niepełnej kolonizacji w jednym końcu i restenozy w drugim. Dalsza funkcjonalizacja tych implantów jest również niezbędna do osiągnięcia wyższych funkcji, takich jak dostarczanie czynników wzrostu, ukierunkowane unaczynienie i jednoczesny ruch różnych typów komórek 6-8. W przypadku implantów tchawicy ma to kluczowe znaczenie, ponieważ pożądana jest kolonizacja implantu przez unaczynioną tkankę. Jednak niekontrolowane wrastanie tkanek do światła tchawicy jest niepożądane, ponieważ zmniejsza drożność implantu.
Jedną z możliwości kontrolowania ruchu komórek jest wykluczenie rozmiaru. Znając wielkość komórek docelowych i ich zdolność do interakcji z danym polimerem syntetycznym, możliwe jest opracowanie gradientów porów, które mogą skutecznie określić głębokość ruchu komórki. Na przykład poprzez stworzenie architektury porów, która jest wystarczająco duża, aby komórki tkanki łącznej, takie jak fibroblasty, mogły dostać się zewnątrz, ale wystarczająco mała (mniej niż 10 μm), aby zapobiec ich ruchowi w obrębie światła, można osiągnąć skuteczną kontrolę nad kolonizacją implantu rurkowego.
Spośród dostępnych metod tworzenia porów, takich jak liofilizacja, ługowanie cząstek, spienianie gazowe 9,10; najłatwiejszą do zaadaptowania metodą szybkiego tworzenia gradientów porów przy minimalnej ilości niezbędnych urządzeń jest zamrażanie 11. W tej metodzie roztwór polimeru zamraża się w dwuskładnikowej mieszaninie rozpuszczalnika organicznego i wody. Następnie rozpuszczalnik jest wymieniany poprzez ekstrakcję przez mieszalną, wstępnie schłodzoną ciecz, taką jak etanol. Warunki zamrażania i ekstrakcji określają kształt i wielkość porów, a jeśli ekstrakcja odbywa się w sposób, w którym ruch roztworu ekstrakcyjnego może być kontrolowany, wielkość i kształt porów można modulować kierunkowo.
Drugim krokiem dla tkanek wielokomórkowych jest tworzenie porowatych barier między różnymi typami komórek w celu kontrolowania ich interakcji. Jest to również konieczne ze względu na dostępność różnych mikrośrodowisk dla różnych typów komórek w zależności od ich wymagań 12,13. Tchawica to narząd rurkowy, który łączy krtań z oskrzeliami. Ma wewnętrzną pseudostratyfikowaną wyściółkę nabłonka rzęsek z rozproszonymi komórkami kubkowymi, które wytwarzają śluz. Struktura 3D i stabilność tchawicy jest utrzymywana przez chrząstkę w kształcie pierścieni C. Tak więc w sztucznej tchawicy powinno być określone połączenie między tkanką łączną a warstwą nabłonka rzęskowego. Podczas gdy struktura 3D jest niezbędna dla części tkanki łącznej, migracja komórek nabłonkowych wymaga powierzchni przypominającej błonę podstawną, aby uzyskać ruch kierunkowy i zamknięcie rany. Wielowarstwowe folie polielektrolitowe (PEM) są jedną z możliwych opcji uzyskania immiki membrany podstawnej. Metoda warstwa po warstwie (LbL) to wszechstronny proces uzyskiwania cienkich i funkcjonalnych powłok powierzchniowych. Opiera się na oddziaływaniach elektrostatycznych dwóch przeciwnie naładowanych polielektrolitów i ich sekwencyjnym gromadzeniu w celu uzyskania powłok powierzchniowych w nanoskali, których właściwości można zmieniać poprzez prostą zmianę zmiennych, takich jak gatunki polielektrolitu, pH, liczba warstw, dodanie warstwy zakrywającej, sieciowanie itp. Jedną z głównych zalet metody LbL jest jej zdolność do dostosowania się do topografii podłoża leżącego pod spodem. Dzięki temu w kontrolowanych warunkach metoda ta może być również stosowana do uzyskiwania pokrycia powierzchniowego porowatych struktur. Jeśli kolagen zostanie użyty jako jeden z polielektrolitów, możliwe jest uzyskanie struktur nanofibrylarnych, które mogą naśladować powierzchnię błony podstawnej. Hydrofobowość tytanu umożliwia rozwój takich struktur, a fibrylarność może być zachowana w grubych powłokach 14. W ten sposób można również kontrolować przyczepianie i ruch komórki na powierzchni. Dzięki zastosowaniu ekstrakcji przez wymrażanie i sekwencyjnego powlekania folią LbL można uzyskać strukturę, w której ruch komórek może być kontrolowany poprzecznie, wzdłużnie i obwodowo 15.
Tutaj opisujemy dwie nowatorskie metody modyfikacji implantów tytanowych poprzez wykorzystanie ich hydrofobowego zachowania, które można rozszerzyć na modyfikację różnych porowatych implantów: i) tworzenie gradientów mikroporów w makroporowatych implantach tytanowych za pomocą hydrofobowych, syntetycznych polimerów, ii) tworzenie grubej warstwy polimerowej warstwy na powierzchni implantu, która wspomaga wzrost komórek i tworzenie wyściółki przez wielowarstwowe polielektrolity. Metody te mogą być stosowane sekwencyjnie lub osobno. Zapewniają one struktury, które zapewniają kontrolowaną migrację i organizację przestrzenną różnych typów komórek w tkankach wielokomórkowych 16,17. W konkretnym przypadku tchawicy pożądanym rezultatem implantu byłaby kolonizacja przez tkankę włóknisto-naczyniową w gradientach mikroporów bez restenozy i tworzenie wewnętrznej wyściółki komórek nabłonka rzęskowego na wielowarstwach polielektrolitu.
Jednym ze sposobów kontrolowania integracji implantów jest wykonywanie małych interwencji chirurgicznych w okresie ich integracji z gospodarzem in situ. Aby móc zdecydować o czasie interwencji, ważne jest, aby mieć informacje na temat ogólnoustrojowych skutków implantu. Białko C-reaktywne (CRP) jest stosowane do monitorowania infekcji i odpowiedzi zapalnej w warunkach klinicznych. Chromogranina A (CGA) może być również stosowana w podobny sposób i może zapewnić dokładniejsze wyniki w celu obserwacji poziomu stanu zapalnego 18. Jako możliwy sposób obserwacji integracji implantów metalicznych in vivo, przedstawiamy procedurę ciągłego monitorowania efektów ogólnoustrojowych implantów poprzez charakteryzację próbek krwi zwierzęcej za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej (HPLC), a następnie sekwencjonowanie białek. Opracowanie tej metody może być wykorzystane do uniknięcia regularnej analizy histologicznej punktu końcowego. Histological cutting metalowych implantów jest długim, kłopotliwym i kosztownym procesem i może być wykonywany tylko w określonych punktach czasowych. Z tego powodu dobrze zaprojektowane badania krwi dostarczające rzetelnych informacji na temat stanu implantów mogą być możliwymi sposobami na zmniejszenie liczby doświadczeń na zwierzętach, zgodnie z niedawnymi przepisami UE dotyczącymi doświadczeń na zwierzętach.
Przedstawione tutaj metody mogą być wykorzystane do poprawy wydajności metalowych implantów poprzez funkcjonalizację lub do stworzenia alternatywnego sposobu monitorowania istniejących implantów.