Zainteresowanie biodegradowalnymi polimerami zyskało na znaczeniu w ostatnich latach, zarówno w środowisku akademickim, jak i w przemyśle, ze względu na rosnące obawy dotyczące odpadów z tworzyw sztucznych i zmniejszenie korzystania z nieodnawialnych źródeł1-7. W szczególności biokompatybilne i biodegradowalne polimery syntetyczne są szeroko rozpowszechnione w kilku dziedzinach zastosowań biomedycznych, takich jak kontrolowane uwalnianieleków 8,9, wchłanialne nici do szwów8,10, intensyfikacja bioprocesów11 i inżynieria tkankowa12.
Inżynieria tkankowa skupia się na rozwoju urządzeń zdolnych do przywrócenia i utrzymania normalnego funkcjonowania w chorych lub uszkodzonych tkankach. Większość tkanek natywnych składa się z różnych typów komórek i macierzy zewnątrzkomórkowych (ECM) w określonych hierarchiach przestrzennych. Na przykład chrząstka stawowa (AC) składa się z różnych stref o różnych typach i orientacjach włókien kolagenowych i białek wiążących kolagen. Ponadto chrząstki i kości wykazują istotnie odmienne struktury hierarchiczne. W tym kontekście, przygotowanie wielowarstwowych rusztowań o zmodyfikowanych właściwościach w każdej warstwie może pozwolić na zastąpienie niejednorodnych tkanek poprzez uwzględnienie wszystkich lokalnych mikrośrodowisk tych złożonych systemów13,14.
Na podstawie komórkowych/biologicznych i/lub fizyczno-chemicznych cech rusztowań, główne strategie przyjęte przez inżynierię tkankową można podzielić na jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe. Podejścia dwufazowe i trójfazowe (BTA) wykorzystują dwie lub trzy różne architektury porów, materiały lub wypełniacze do przygotowania wielowarstwowych urządzeń funkcjonalnych. Co więcej, pojedynczy materiał może być użyty do uzyskania urządzeń dwufazowych lub trójfazowych, o ile możliwe jest stworzenie gradientu w jego właściwościach fizycznych12.
Migracja komórek odgrywa kluczową rolę w morfogenezie, stanach zapalnych, gojeniu się ran i przerzutach nowotworów. Ruch komórek jest stymulowany przez obecność gradientu właściwości chemiczno-fizycznych od powierzchni do rdzenia urządzenia. W związku z tym biomateriały spełniające wyżej omówione wymagania mogą być pomocne w badaniu migracji komórek. Oprócz gradientów chemicznych, które wywołują migrację komórek (chemotaksja), właściwości mechaniczne substratu hodowli komórkowej mogą również prowadzić do ruchu komórek (mechanotaksja)15.
Wielowarstwowa struktura może również zapewnić regulowane uwalnianie określonych leków zawartych w matrycy polimerowej, poprzez zmianę określonego obszaru warstwy lub ilości załadowanych leków.
W ciągu ostatniej dekady, w celu opracowania rusztowań posiadających dyskretny lub ciągły gradient właściwości morfologicznych, takich jak porowatość czy wielkość porów, przedstawiono kilka podejść16-31. Najnowsze prace koncentrowały się na przygotowaniu BTA poprzez zastosowanie: ługowania cząstek 12,28,32, techniki spieniania gazowego16, elektroprzędzenia17-19, techniki odlewania warstwa po warstwie 20, szybkiego prototypowania21,22, termicznie indukowanej separacji faz (TIPS)22, wirowania liofilizacji24,25, trzykrotnie okresowych powierzchni minimalnych (TPMS)26, odlewania zamrażalniczego27-30.
W ramach tej pracy przedstawiamy szybką i prostą drogę do uzyskania trójwarstwowych porowatych rusztowań (TLS) na bazie PLA, poprzez połączenie mieszania stopu, formowania tłocznego i ługowania soli. W odróżnieniu od większości technologii powszechnie stosowanych w produkcji rusztowań, przyjętą tu strategię można uznać za w pełni przyjazną dla środowiska, ponieważ nie wymaga ona stosowania toksycznych rozpuszczalników potencjalnie niebezpiecznych dla środowiska oraz żywych komórek i tkanek32. Podstawowe zależności przetwarzanie-struktura-właściwości ustalone w tym badaniu poprzez analizę zarówno cech morfologicznych, jak i zachowania mechanicznego wytwarzanych urządzeń stanowią wskazówkę dla przyszłych postępów w projektowaniu wielofunkcyjnych rusztowań stopniowanych o określonych właściwościach docelowych.