Пластина роста, также известная как физис, представляет собой структуру хряща, расположенную на конце длинных костей, которая опосредует рост у детей. Если пластина роста повреждается, может образоваться восстанавливающая ткань, известная как «костный стержень», которая прерывает нормальный рост и может вызвать дефекты роста или угловые деформации. Эпидемиологические данные показали, что 15%-30% всех детских травм скелета связаны с пластиной роста. Образование костного стержня происходит в 30% этих травм, что делает травмы пластин роста и связанное с ними лечение значительным клиническим проявлением проблемы 1,2,3,4. Когда происходит образование костного стержня, наиболее распространенный способ лечения включает резекцию костного стержня и введение интерпозиционного материала, такого как кремний или жироваяткань 5. Тем не менее, пациенты, которые подвергаются резекции костной полосы, часто имеют плохой прогноз для полного выздоровления, так как в настоящее время нет лечения, которое может полностью восстановить поврежденную пластину роста 6,7,8. В свете этих недостатков существует острая необходимость в эффективных стратегиях лечения повреждений пластин роста, как в предотвращении образования костного стержня, так и в регенерации здоровой физарной хрящевой ткани.
Микрочастицы гидрогеля, или микрогели, недавно приобрели интерес в качестве инъекционных каркасов, которые могут обеспечить устойчивое высвобождение терапевтических средств9. Благодаря своей высокой настраиваемости и биосовместимости, микрогели также хорошо подходят для биоактивного фактора или инкапсуляции клеток. Микрогели могут быть изготовлены из различных материалов, начиная от синтетических полимеров, таких как полиэтиленгликоль (ПЭГ), до природных полимеров, таких как альгинат или хитозан 10,11,12. Было показано, что хитозан оказывает несколько полезных эффектов на тканевую инженерию, таких как его способность дестабилизировать внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий, тем самым предлагая присущую антимикробную активность1 3,14. Кроме того, хитозан является экономически эффективным, интерактивным в клетках и легко модифицируется с использованием его аминосодержащей структуры. Микрогели на основе хитозана обещают стратегию биоматериала для доставки лекарств и передачи сигналов материала, которые могут способствовать регенерации тканей, предотвращая бактериальную инфекцию. Тем не менее, микрогели хитозана часто изготавливаются с помощью широкого спектра методов, которые требуют специального оборудования, методов эмульсии или цитотоксических растворителей. Например, в некоторых исследованиях были изготовлены микрогели хитозана методами на основе эмульсии, но эти протоколы требуют полосканий растворителями и цитотоксических сшивающих веществ, что потенциально сводит на нет их трансляцию в клинические условия15,16. В других исследованиях использовались микрофлюидикические или электрораспылительные подходы для изготовления микрогелей хитозана, которые требуют специального оборудования, подготовки и обучения17,18. Микрогели хитозана также обычно изготавливаются с по каплевидным процессом сшивания в раствор хитозана; однако этот способ сильно зависит от вязкости раствора, концентрации полимера и скорости потока, что затрудняет контроль размера и дисперсии микрогелей19,20. И наоборот, способ изготовления микрогелей, описанный в настоящем описании, не требует специального оборудования или растворителей, что делает эти микрогели жизнеспособными для изготовления практически в любой лаборатории или условиях. Таким образом, эти микрогели представляют собой очень важные биоматериалы для быстрого, экономически эффективного и простого в производстве средства доставки лекарств для многих применений.
Модулируя состав микрогеля и характеристики материала, исследователи могут получить точный контроль над клеточной микросредой, тем самым направляя поведение клеток в зависимости от материала. Микрогели могут быть использованы сами по себе или в сочетании с объемными системами биоматериала для придания специфических функциональных возможностей, таких как расширенное высвобождение биологически активных факторов или точная специальная передача сигналов для нативных или экзогенных клеток. Биоматериалы и микрогели стали привлекательными способами лечения травм пластин роста. Значительные усилия были направлены на разработку биоматериалов на основе альгинатов и хитозана для лечения повреждений пластин роста 21,22,23,24,25. Из-за динамического временного характера окостенения пластин роста и удлинения кости механизм образования костного стержня до конца не изучен. Поэтому было разработано несколько моделей на животных, чтобы лучше прояснить механизмы эндохондрального окостенения и образования костного стержня, например, у крыс, кроликов и овец 26,27,28. Одной из таких моделей является модель повреждения пластины роста крыс, которая использует дефект отверстия в голени крысы для получения костного стержня предсказуемым и воспроизводимым образом и имитирует травмы человека во всех трех зонах пластины роста29,30. Несколько основанных на биоматериале стратегий лечения повреждений пластин роста были протестированы с использованием этой модели. Кроме того, были разработаны два различных метода изготовления микрогелей хитозана, которые могут быть использованы в качестве инъекционной системы биоматериала, которая высвобождает терапевтические средства устойчивым образом10,31. Эти микрогели были использованы в модели повреждения физей крыс, и они показали улучшенную регенерацию хряща31 при высвобождении SDF-1a и TGF-b3. Методы, представленные в этом протоколе, описывают методы, разработанные для изготовления этих микрогелей хитозана, которые затем могут быть использованы в широком спектре приложений тканевой инженерии. Например, в недавних исследованиях использовались термо- или пурпурно-чувствительные микрогели хитозана для контролируемых онкологических применений доставки лекарств32,33.