Aplikace 3D biotisku kolagenu v orální medicíně

Abstrakt

Onemocnění ústní dutiny se celosvětově stalo jedním z hlavních problémů veřejného zdraví. Přestože stávající klinické modality pro obnovu úbytku zubní tkáně a kraniomaxilofaciálních poranění mohou dosáhnout uspokojivých terapeutických výsledků, nemohou plně obnovit původní komplexní anatomickou strukturu a fyziologickou funkci tkáně. 3D tisk biologických tkání si získal rostoucí zájem v oblasti orální medicíny se schopností díky možnosti řízeně zpracovávat bioinkoustovou složku a vytvářet tiskovou strukturu pro prostorově heterogenní opravné konstrukty, což je obrovský příslib pro precizní léčbu onemocnění dutiny ústní. Zejména materiály na bázi kolagenu byly uznány jako slibné biogenní bioinkousty pro regeneraci určitých tkání s vysoce aktivačními a biokompatibilními vlastnostmi. V tomto přehledu shrnujeme metody 3D tisku pro biomateriály na bázi kolagenu a jejich mechanismy. Dále upozorňujeme na živočišné zdroje kolagenu a jejich vlastnosti a také na metody extrakce kolagenu. Kromě toho tento přehled prezentuje technologie 3D biotisku pro regeneraci pulpálního nervu a krevních cév, chrupavky a periodontální tkáně. Domníváme se, že tato technika otevírá obrovské možnosti oproti konvenčním metodám, s vysokou replikovatelností a variabilní funkčností, která může v konečném důsledku podpořit účinnou regeneraci ústní tkáně.

Metody extrakce kolagenu

Kolagen je přírodní vysokomolekulární protein a důležitý obnovitelný zdroj, který se běžně vyskytuje v kůži, chrupavce a dalších pojivových tkáních zvířat a tvoří 25–30 % všech biologických proteinů [26, 27, 28]. Kolagen má vynikající biologické vlastnosti (např. nízkou imunogenicitu a vysokou biologickou odbouratelnost) a fyzikální vlastnosti (např. vysokou flexibilitu, silnou mechanickou pevnost a strukturní stabilitu a uspokojivou permeabilitu) [29,30, 31]. Má tedy nezastupitelnou roli v mnoha oborech, jako je biomedicína (např. hemostáza [32], antibakteriální [33], tkáňové inženýrství [34], uvolňování léčiv [35, 36]), potravinářství [37, 38], kosmetika [39, 40, 41] a inženýrské aplikace [42, 43, 44, 45, 46]. Se zvyšujícím se zájmem a poptávkou po kolagenu jsou široce zkoumány jeho zdroje a metody extrakce. Běžnými metodami získání kolagenu jsou alkalická extrakce [47], kyselinová extrakce [48], extrakce horkou vodou [49], enzymová extrakce [50] a další extrakční metody [51].

3D tiskové metody pro biomateriály na bázi kolagenu

Biotiskové technologie lze do značné míry rozdělit do tří kategorií podle jejich základních principů tisku (obr. 3) [83], včetně biotisku založeného na inkoustovém tisku (inkjet based bioprinting) [84], biotisku s asistencí tlaku (pressure-assisted bioprinting) [85] a biotisku s asistencí světla (light-assisted bioprinting) [86]. Bioinkoustové materiály na bázi kolagenu prokázaly dobrou tisknutelnost pomocí řady různých technik 3D tisku a lze je formulovat jako tekutiny s nízkou viskozitou, které lze vytlačovat malou tryskou [87]. To umožňuje přesnou kontrolu umístění a tvaru tištěného materiálu při biotisku na bázi inkoustového tisku. Při tisku s asistencí světla je bioinkoust, který lze využít k výrobě struktur s vysokým rozlišením, selektivně ztužen pomocí laserového paprsku. Tato metoda umožňuje přesnou kontrolu tištěného materiálu a lze ji využít k vytváření struktur s vysokou mechanickou pevností. Je však třeba poznamenat, že tisknutelnost bioinkoustů na bázi kolagenu závisí na jejich složení, včetně jejich viskozity, doby gelace a teploty, a také na vlastnostech konkrétní použité tiskové techniky [88].3D tisk bezbuněčného lešení může kontrolovaně vytvářet jak vnitřní póry, tak vnější tvar tištěného konstruktu, aby přitahoval endogenní kmenové buňky vytvořením mikroprostředí příznivého pro buněčný růst a uvolňováním bioaktivních molekul; nebo inokulací buněk přímo na lešení, které poskytuje ideální 3D prostor pro buněčnou adhezi, proliferaci a diferenciaci [88]. Protože uvnitř lešení nejsou žádné živé buňky, materiál lešení může být pečlivěji vybrán a upraven pro lepší funkci. Aby bylo možno vytisknout biomimetické struktury připomínající organické a anorganické složky přirozené kostní tkáně, Kajave et al. [89] kombinovali bioaktivní sklo a metakrylátový kolagen a poté prokázali účinky těchto materiálů na zachování životaschopnosti lidských mezenchymálních kmenových buněk a zvýšení aktivity alkalické fosfatázy. Biotisk s buněčnou náplní (Cell-laden bioprinting) je proces implementace živých buněk do vhodných biomateriálů, aby se vytvořil bioinkoust pro vytvoření trojrozměrné struktury požadované tkáně nebo orgánu a distribuce buněk uvnitř struktury prostřednictvím 3D tisku, který může přímo přivádět buňky na určené místo v těle. Muthusamy a kol. [90] vytiskli trojrozměrnou stabilní strukturu endoteliálních buněk vložených mezi vrstvy fibroblastů po přidání xanthanové gumy ke kolagenu typu I jako bioinkoustu pro zapouzdření buněk. Experimentálně prokázali, že v této struktuře lze vytvořit propojenou síť podobnou kapilární, a schopnost tohoto lešení produkovat cévy má potenciální využití při 3D biotisku různých tkání a orgánů.