Biomateriali naturali biomimetici per l'ingegneria tissutale e la medicina rigenerativa: nuovi metodi di biosintesi, recenti progressi e applicazioni emergenti

Volume 10 della ricerca medica militare, numero articolo: 16 (2023) Citare questo articolo

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I materiali biomimetici sono emersi come alternative attraenti e competitive per l’ingegneria dei tessuti (TE) e la medicina rigenerativa. A differenza dei biomateriali convenzionali o dei materiali sintetici, gli scaffold biomimetici basati su biomateriali naturali possono offrire alle cellule un ampio spettro di segnali biochimici e biofisici che imitano la matrice extracellulare (ECM) in vivo. Inoltre, tali materiali hanno adattabilità meccanica, interconnettività microstrutturale e bioattività intrinseca, che li rendono ideali per la progettazione di impianti viventi per applicazioni specifiche nella TE e nella medicina rigenerativa. Questo documento fornisce una panoramica dei recenti progressi dei biomateriali naturali biomimetici (BNBM), compresi i progressi nella loro preparazione, funzionalità, potenziali applicazioni e sfide future. Evidenziamo i recenti progressi nella fabbricazione di BNBM e delineamo strategie generali per funzionalizzare e personalizzare i BNBM con varie caratteristiche biologiche e fisico-chimiche dell'ECM nativa. Inoltre, offriamo una panoramica dei recenti progressi chiave nella funzionalizzazione e nelle applicazioni di BNBM versatili per applicazioni TE. Infine, concludiamo offrendo la nostra prospettiva sulle sfide aperte e sugli sviluppi futuri in questo campo in rapida evoluzione.

L'ingegneria dei tessuti (TE) mira a ripristinare, preservare o migliorare la struttura e la funzione di tessuti o organi difettosi integrando segnali biologici e strategie di bioscaffold [1,2,3]. I bioscaffold forniscono una nicchia per le cellule imitando la composizione, la struttura e le proprietà della matrice extracellulare (ECM) in vivo e offrono alle cellule un ampio spettro di segnali biologici e fisico-chimici. L’ECM agisce come una rete di biomassa che combina morbidezza, tenacità ed elasticità per fornire supporto meccanico e integrità strutturale a tessuti e organi. È composto principalmente da una matrice polisaccaridica con una varietà di proteine ​​incorporate, come collagene, elastina e fibronectina. La microstruttura gerarchica tridimensionale (3D) e la natura elettromeccanica dell'ECM svolgono un ruolo essenziale nelle sue proprietà di trasporto, comunicazione cellulare, meccanotrasduzione e segnalazione dei fattori di crescita interagendo con i recettori della superficie cellulare, nonché con i fattori di crescita leganti e altre molecole di segnalazione.

I biomateriali naturali derivati ​​da risorse rinnovabili, come piante, animali e microrganismi, presentano una grande diversità di costituenti, microstrutture e proprietà fisiologiche uniche ma complesse. Tali materiali offrono un supporto biologico adatto all'attaccamento e alla crescita cellulare con una serie diversificata di funzioni nel loro ambiente nativo [2, 4]. Pertanto, i biomateriali naturali, quando ripopolati con cellule autologhe o geneticamente modificate, possono fungere da modello ideale per la progettazione di impianti viventi per applicazioni specifiche nella TE e nella medicina rigenerativa. Di conseguenza, sono una buona scelta per gli scaffold TE biomimetici grazie alla loro forma e adattabilità meccanica, all'interconnettività della microstruttura e alla bioattività intrinseca, che imita l'ECM nativa. Inoltre, questi biomateriali naturali biomimetici (BNBM) possiedono strutture molecolari ben definite e numerosi siti attivi che consentono ulteriori modifiche funzionali e/o ancoraggi con altri materiali, consentendo la preparazione di un'enorme varietà di prodotti personalizzati con proprietà desiderabili e funzioni ottimizzate .

Tuttavia, i materiali naturali devono affrontare diverse limitazioni, come la variabilità del lotto, la rapida degradazione, le deboli proprietà meccaniche e la lavorabilità limitata, che rallentano la loro traduzione clinica. Per imitare l'ECM naturale, gli scaffold basati su BNBM possono essere personalizzati per fornire proprietà fisico-chimiche, meccaniche e biologiche superiori, supportando così l'infiltrazione cellulare, l'adesione, la differenziazione, nonché il trasporto di ossigeno e sostanze nutritive.