組織工学および再生医療用の生体模倣天然生体材料: 新しい生合成方法、最近の進歩、および新たな応用

軍事医学研究第 10 巻、記事番号: 16 (2023) この記事を引用

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生体模倣材料は、組織工学 (TE) および再生医療の魅力的で競争力のある代替品として浮上しています。 従来の生体材料や合成材料とは対照的に、天然生体材料に基づく生体模倣足場は、生体内細胞外マトリックス (ECM) を模倣する幅広い生化学的および生物物理学的手がかりを細胞に提供できます。 さらに、このような材料は機械的適応性、微細構造の相互接続性、固有の生物活性を備えているため、TE および再生医療における特定の用途向けの生体インプラントの設計に理想的です。 この論文では、その調製、機能性、潜在的な用途、将来の課題の進歩など、生体模倣天然生体材料 (BNBM) の最近の進歩について概要を説明します。 我々は、BNBMの製造における最近の進歩に焦点を当て、ネイティブECMのさまざまな生物学的および物理化学的特性を備えたBNBMを機能化および調整するための一般的な戦略を概説します。 さらに、TE アプリケーション向けの多用途 BNBM の機能化と応用における最近の重要な進歩の概要を提供します。 最後に、この急速に進化する分野における未解決の課題と今後の展開についての私たちの見解を提供して終わります。

組織工学 (TE) は、生物学的手がかりと生体足場戦略を統合することにより、欠陥のある組織や器官の構造と機能を回復、保存、または強化することを目的としています [1、2、3]。 生体足場は、生体内細胞外マトリックス (ECM) の組成、構造、特性を模倣することで細胞にニッチを提供し、細胞に広範囲の生物学的および物理化学的合図を提供します。 ECM は、柔らかさ、靭性、弾性を組み合わせたバイオマス ネットワークとして機能し、組織や器官に機械的サポートと構造的完全性を提供します。 それは主に、コラーゲン、エラスチン、フィブロネクチンなどのさまざまなタンパク質が埋め込まれた多糖マトリックスで構成されています。 ECM の三次元 (3D) 階層的微細構造と電気機械的性質は、細胞表面受容体と相互作用したり、成長因子や他のシグナル伝達分子と結合したりすることにより、その輸送特性、細胞コミュニケーション、機械伝達、成長因子シグナル伝達において重要な役割を果たしています。

植物、動物、微生物などの再生可能資源に由来する天然生体材料は、非常に多様な独特でありながら複雑な成分、微細構造、および生理学的特性を示します。 このような材料は、細胞の付着と増殖に適した生物学的サポートを提供し、本来の状態でさまざまな機能を備えています [2、4]。 したがって、天然生体材料は、自家細胞または遺伝子組み換え細胞を再移植すると、TE および再生医療における特定の用途向けの生体インプラントの設計のための理想的なテンプレートとして機能します。 したがって、ネイティブ ECM を模倣するその形状と機械的適応性、微細構造の相互接続性、および固有の生物活性により、これらは生体模倣 TE 足場に最適です。 さらに、これらの生体模倣天然生体材料 (BNBM) は、明確に定義された分子構造と豊富な活性部位を備えており、さらなる機能修飾や他の材料との固定を可能にし、望ましい特性と微調整された機能を備えた非常に多様なカスタマイズされた製品の調製を可能にします。 。

しかし、天然素材は、バッチ変動性、急速な分解、弱い機械的特性、限定された加工性など、臨床への応用を遅らせるいくつかの制限に直面しています。 天然の ECM を模倣するために、BNBM ベースの足場は優れた物理化学的、機械的、生物学的特性を提供するように調整することができ、これにより細胞の浸潤、接着、分化、および酸素と栄養素の輸送がサポートされます。