Polimeri biodegradabili în ingineria tisulară

Robert J. Kroeze 1, 2, 3, Marco N. Helder 1,3, Leon E. Govaert4 and Theo H. Smit 1,3,*

1 Department of Orthopaedic Surgery, VU University Medical Center, Amsterdam, The Netherlands;

E-Mail: r.kroeze@vumc.nl (R.K.); m.helder@vumc.nl (M.H.)

2 Department of Oral Cell Biology, Academic Centre for Dentistry Amsterdam (ACTA), Universiteit van Amsterdam and Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands

3 MOVE/Skeletal Tissue Engineering Group Amsterdam (STEGA), Amsterdam, The Netherlands

4 Faculty of Mechanical Engineering, Polymer Technology, Eindhoven University of Technology,

Eindhoven, The Netherlands; E-Mail: l.e.govaert@tue.nl (L.G.).

Abstract: Utilizarea polimerilor biodegrdabili in medicina a inceput la mijlocul sec.XX, cu utilizarea lor initiala in suturile resorbabile „in vivo”. Acest subiect cunoaste o aprofundare inca de atunci si aplicatii potentiale pentru acesti polimeri au fost si inca mai sunt extinse rapid. Dupa imbunatatirea proprietatilor de acid lactic pe baza de polimeri, acestia nu au mai fost studiati numai din punct de vedere stiintific, ci si pentru utilizarea lor in chirurgia osoasa incepand cu anii 1990. Din pacate, dupa implantarea acestor polimeri, au fost observate diferite reactii ale acestor corpi straini de la aparitia celulelor albe in sange pana la suturi sterile cu resorbtia tesuturilor initiale. Aceasta a dus la conceptia gresita ca polimeriI degradabili, in toate cazurile, duc la inflamarea si/sau osteoliza la locul de implantare. In prezent, au fost acumulate cunostinte substantiale privind eliberarea polimerilor biocompatibili si biodegrdabili si care sunt capabili sa se adapteze aplicatiilor specifice si, prin urmare reduc puternic aparitia reactiilor adverse ale tesutului. Cu toate acestea, problema majora a biofunctionalitatii, atunci cand adaptarea mecanica este luata in considerare, pana in prezent este in mare parte nerecunoscuta. O aprofundare a intelegerii modului de imbunatatire a biofunctionalitatii, care cuprinde stabilitatea biomecanica, dar, de asemenea vizualizarea si sterilizarea materialului, impreuna cu evitarea formarii tesutului fibros si a reactiilor la corp strain, poate creste foarte mult aplicabilitatea si siguranta polimerilor degradabili utilizati in ingineria tesutului. Aceasta revizuire va aborda intelegerea noastra actuala a acestor factori biofunctionali si va discuta ulterior capcanele si eventualele solutii pentru a rezolva aceste probleme.

Cuvinte cheie: polimeri degradabili, ingineria tesutului, incarcare mecanica

1. Introducere

Procedura de grefare osoasa a fost descrisa pentru prima data in 1668, atunci cand defectul cranian al unui soldat ranit a fost reparat cu succes folosind un craniu de caine, aducand imbunatatiri considerabile [1]. In plus fata de aceasta imbunatatire, cererea de grefare osoasa este in continua crestere, in varietatile de biomateriale disponibile pentru a inlocui grefele osoase se extind rapid. Aceasta crestere a cererii reflecta extinderea procedurilor chirurgicale pentru reconstituiri scheletice (traume, excizia tumorii, artroplastii esuate si fuziunea spinarii) rezultand anual peste 2 milioane de astfel de proceduri la nivel mondial [2].

Autogrefele cu os, de multe ori obtinute din creasta iliaca, raman „standardul de aur”, din moment ce poseda toate caracteristicile necesare pentru cresterea oaselor noi, adica (i) osteoconductivitate (schela pasiva pentru a promova apozitia osoasa [3]), (ii) osteogenicitatea (care contine celule osteoprogenitare [3]) si (iii) osteoinductivitate (furnizeaza semnale pentru a induce diferentieri osteogenetice de celule stem locale [3]). Cu toate acestea, utilizarea de autogrefe are limitarile sale, incluzand in principal morbiditatea donator – site (ex: durere, hematom, fractura si infectie, dar de asemenea, in special la copii), impiedicand astfel refacerea oaselor [4-11]. Utilizand os donator (alogrefa) sunt raportate alte dezvantaje inclusiv transmiterea de boli grave, de la donator la beneficiar, cum ar fi HIV [12], limfoame [13], precum si riscul de respingere imunitar [14]. Pentru a evita aceste probleme, grefele de os au devenit din ce in ce mai populare. Conceptul de baza este ca biomaterialul substituit actioneaza ca o schela pentru celulele/tesuturi din jur pentru a invada, creste si regenera tesuturile pentru formarea unui os nou [15-19].

In esenta, biomaterialele sunt concepute pentru a promova organizarea, cresterea si diferentierea celulelor in procesul de formare a tesutului functional prin acordare de sprijin structural, izolare biologica si indici chimici [20]. Avansarea in biologia celulara si tehnologia materialelor, influenteaza din ce in ce mai mult practica clinica in diverse discipline, inclusiv interventii chirurgicale ortopedice.

Functia primara a tesuturilor osoase este de suport mecanic. Atunci cand are loc o tulburare osoasa sau o deteriorare a tesutului, este necesara fixarea si repozitionarea structurii implicate si crearea mediului propice pentru vindecarea mecanica functionala. Odata ce vindecarea are loc, totusi, este de dorit indepartarea biomaterialului, atat din punct de vedere chimic cat si biomecanic. Prin urmare, polimerii degradabili sunt tot mai folositi in ingineria tisulara, deoarece acestia pot fi folositi ca un implant si nu va necesita o a doua interventie chirurgicala pentru indepartarea materialului [21,22].

In 1994, Freed s.a. a formulat 6 criterii de proiectare pentru polimeri biodegradabili care ar trebui indeplinite in ingineria tisulara: (1) suprafata ar trebui sa permita adeziunea si cresterea celulara; (2) dupa implantarea „in vivo” a polimerului si a produselor sale de degradare nu ar trebui sa produca inflamatie si toxicitate; (3) polimerul ar trebui sa fie reproductibil in 3 structuri dimensionale; (4) porozitate mare pentru reducerea dificultatilor la difuziune si cresterea suprafetei si un spatiu adecvat pentru regenerarea matricei extracelulare; (5) resorbtia grefei dupa indeplinirea scopului sau (materialele straine prezinta intotdeauna risc de inflamatie); si nu in ultimul rand: (6) gradul de degradare a grefei trebuie sa corespunda gradului de regenerare a tesutului de interes [16].

In ingineria tesutului osos nu numai polimerii degradabili si celulele vii joaca un rol important ci si interactiunile dintre acesti polimeri, precum si valoarea si durata de incarcare mecanica este necesar sa le sprijine. Prin urmare, interactiunea optima a osului atat la nivel celular cat si la nivel biomecanic este necesara pentru un rezultat pozitiv in formarea tesutului functional.