Gli idrogel sono comunemente usati come biomateriali per applicazioni in biomedicina a causa della loro biocompatibilità. Però, la relazione tra le cellule biologiche e la superficie dell'idrogel è ancora poco chiara ei parametri esistenti per spiegare le interazioni non sono abbastanza sofisticati. In un recente studio, Jooyoung Lee, Boa Song e collaboratori presso il Centro per i biomateriali e il Dipartimento di ingegneria dei polimeri nella Repubblica di Corea hanno studiato l'impatto della flessibilità della catena polimerica sull'adesione cellulare, con una varietà di costrutti di idrogel composti da polimeri naturali collagene e fibrina.

Hanno introdotto un nuovo metodo di semi-flessibile, analisi basata sul modello per confermare che la flessibilità della catena ha mediato la microstruttura dell'idrogel come fattore critico che ha consentito l'adesione cellulare all'interfaccia cellula-materiale. L'analisi proposta nello studio è in grado di prevedere con maggiore precisione la biocompatibilità (citocompatibilità) degli idrogel. Risultati del lavoro ora pubblicati in Rapporti scientifici, fornire un criterio importante per la progettazione e lo sviluppo di polimeri migliorando la biocompatibilità e la biofunzionalizzazione nell'interfaccia cellula-materiale per applicazioni biomediche in vivo.

Gli idrogel sono costituiti da reti polimeriche rigonfie d'acqua e hanno applicazioni nella somministrazione di farmaci e nell'ingegneria dei tessuti. L'adesione cellula-materiale è fondamentale per la biocompatibilità in vivo e la maggior parte degli studi ha testato il comportamento cellulare analizzando la rigidità di massa della composizione dei materiali. Tuttavia, la comunicazione tra le cellule sulla superficie dell'idrogel resta da comprendere con precisione. I polimeri naturali approvati dalla FDA collagene e fibrina, forniscono un'eccellente biocompatibilità per le applicazioni biomediche. Conosciuti anche come polimeri semiflessibili, non sono conformi ai modelli di soluzioni a catena flessibile o reti a barre rigide. Il modello semi-flessibile consente la previsione della flessibilità della catena delle reti polimeriche scalando sperimentalmente il modulo del plateau elastico.

Nel nuovo studio, Lee e Song et al. proposto un nuovo, analisi semi-flessibile basata su modelli per comprendere l'adesione cellulare agli idrogel utilizzando i polimeri di collagene e fibrina ben caratterizzati. Hanno usato tre diversi costituenti di collagene e fibrina, per indagare i fattori che hanno determinato l'adesione cellulare:

1. Substrati rivestiti bidimensionali (2-D).
2. idrogel sfusi 2-D, e
3. Idrogel 3-D bulk

Gli scienziati hanno variato la concentrazione di idrogel nei costituenti del materiale da 1 mg/mL a 7 mg/mL e hanno quantificato la rigidità e la rugosità della massa dei biomateriali appena formati. Per definire i parametri di collegamento delle celle, hanno osservato la morfologia a catena dei nuovi materiali. I risultati hanno confermato che la microarchitettura degli idrogel ha influito sulla flessibilità della catena come fattore cruciale che influenza l'adesione cellulare.

Nella configurazione sperimentale, gli scienziati hanno preparato una varietà di costrutti di collagene e fibrina, per testare l'adesione cellulare senza effetti di gravità. Hanno controllato la rigidità dell'idrogel utilizzando concentrazioni incrementali di ciascun componente e quantificato la relazione sollecitazione-deformazione basata sulla sollecitazione assiale (trazione o compressione) e rotazionale (taglio). Per misurare le proprietà reologiche degli idrogel, gli scienziati hanno utilizzato un reometro controllato dallo stress. Hanno quindi misurato il modulo di compressione per le prove di trazione con una macchina di prova universale. Per studiare la topografia superficiale, gli scienziati hanno usato un microscopio a forza atomica, seguita da microindentazione per misurare il modulo di Young (E) degli idrogel, dove hanno calcolato la media (E) utilizzando il software di elaborazione dati JPK. Lee e Song et al. ritengono che lo studio sia stato il primo a studiare l'adesione cellulare sugli idrogel utilizzando la pendenza dell'elasticità dei polimeri semiflessibili modello.

Per la coltura cellulare in laboratorio, Lee e Song et al. utilizzato cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVEC) come linea cellulare preferita. Hanno misurato il tasso di adesione cellulare su diverse concentrazioni di collagene e idrogel di fibrina in 2-D, e quantificata l'adesione cellulare utilizzando il kit di conteggio delle cellule 8 (CCK-8). Gli scienziati non hanno osservato una differenza statisticamente significativa tra l'adesione cellulare su collagene 2-D e substrati rivestiti di fibrina; forse perché le cellule hanno rilevato le proprietà meccaniche delle piastre di coltura cellulare, invece delle proprietà materiali degli idrogel. Nelle superfici di idrogel sfuse 2-D, l'adesione cellulare al collagene (gel di massa 2-D) era molto più alta di quella sui gel di massa di fibrina 2-D. Per di più, al variare della concentrazione di idrogel, gli scienziati hanno osservato che l'attaccamento cellulare aumentava sistematicamente con l'aumentare della concentrazione di collagene. In confronto, l'adesione cellulare sui gel di fibrina era indipendente dalla concentrazione dell'idrogel incorporato.

Lee e Song et al. hanno quindi utilizzato strutture lumen 3-D di idrogel per chiarire il tasso di adesione cellulare su gel di collagene e fibrina. Hanno osservato che le cellule erano meglio attaccate al collagene rispetto ai gel di fibrina. I fenotipi di adesione cellulare erano anche molto più chiari sui costrutti 3-D rispetto agli allegati su 2-D. Tipicamente, le cellule si attaccano alle superfici del materiale o alla matrice extracellulare (ECM) tramite punti di ancoraggio noti come adesioni focali. Le cellule su substrati più rigidi generalmente contengono citoscheletri ben organizzati per aderenze focali stabili. Per capire se gli idrogel sfusi potrebbero contribuire all'adesione cellulare, gli scienziati hanno tracciato la rigidità di massa degli idrogel e confrontato collagene e fibrina a diverse concentrazioni. Lee e Song et al. in tal modo ha mostrato sperimentalmente che la rigidità di massa non era un fattore critico per influenzare l'adesione cellulare sugli idrogel.

Gli scienziati hanno determinato il modulo di Young e il modulo di compressione come proprietà meccaniche aggiuntive dei materiali che hanno influenzato l'adesione cellulare. Hanno mostrato come la rigidità aumentasse con l'aumentare della concentrazione, e ha suggerito la flessibilità della catena come parametro appropriato. Nonostante la maggiore rigidità con l'aumento della concentrazione di collagene e fibrina, gli scienziati non sono stati in grado di spiegare i diversi tassi di adesione cellulare osservati tra i due polimeri.

Per questo, Lee e Song et al. ha esaminato l'architettura delle molecole delle fibre e delle loro reti su scala microscopica utilizzando la microscopia a forza atomica. I gel di collagene mostravano una struttura fibrosa come riportato in precedenza, con forma a bastoncino ben definita, filamenti semiflessibili. In confronto, nella struttura del gel di fibrina, gli scienziati hanno osservato solo alcuni filamenti semi-flessibili, dove la proteina associata era impigliata come catene flessibili intrappolate dinamicamente. Per confermare il grado di cellula sull'attaccamento dell'idrogel, gli scienziati hanno colorato le cellule con il marcatore di superficie cellulare CD31 (glicoproteina espressa sulle cellule endoteliali) e hanno confermato l'architettura stabile dell'endotelio sul materiale.

Gli scienziati hanno osservato che l'adesione totale delle cellule all'idrogel di collagene era maggiore rispetto all'idrogel di fibrina. I risultati erano dovuti alla maggiore rigidità del collagene su scala microscopica, rispetto all'architettura a catena relativamente flessibile della fibrina. Gli scienziati hanno così mostrato che la rigidità microscopica degli idrogel è un fattore dominante che determina il grado di attaccamento delle cellule su una superficie di biomateriali.

In questo modo, Lee e Song et al. metodi analitici proposti nello studio per descrivere l'interazione tra adesione cellulare e superfici del materiale. I risultati forniranno linee guida significative durante la progettazione dei biomateriali in futuro, integrando allo stesso tempo proprietà del materiale ottimizzate di durata e resistenza meccanica per applicazioni di idrogel in vivo. Gli scienziati hanno dimostrato un semi-flessibile, spiegazione basata su modelli dell'adesione cellulare ai biomateriali studiando la rigidità dei tessuti per controllare l'adesione cellulare, proliferazione e differenziazione sui costrutti materiali. Gli autori propongono che questo semplice metodo possa spiegare le proprietà dell'adesione cellulare sui biomateriali polimerici per previsioni precise di biocompatibilità. I risultati forniranno uno strumento pratico per progettare e costruire tessuti artificiali 3D con maggiore precisione biomeccanica e biocompatibilità per una varietà di applicazioni, come la bioingegneria dei vasi sanguigni e dei meccanismi di somministrazione dei farmaci in vivo.

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