34.5 C
Athens
Τετάρτη, 24 Ιουλίου, 2024

Μηχανοβιοϋλικά: Αρχές μηχανοβιολογίας για τον προγραμματισμό λειτουργικών βιοϋλικών

Μια ομάδα ερευνητών πρότεινε μια νέα ιδέα για τα μηχανοβιοϋλικά, η οποία είναι εμπνευσμένη από το φυσικό φαινόμενο ότι η εμβιομηχανική μεσολαβεί στην επισκευή και την αναγέννηση των ιστών. Το σκεπτικό πίσω από αυτή τη νέα ιδέα είναι να προγραμματίσει τις βιολογικές λειτουργίες των βιοϋλικών αξιοποιώντας τις σχέσεις μηχανικής-γεωμετρίας-βιολογικής λειτουργίας.

Για το προφίλ αυτού του αναδυόμενου πεδίου, οι συγγραφείς διευκρινίζουν τις θεμελιώδεις αρχές στη διαμόρφωση βιολογικών αποκρίσεων με μηχανικές αλληλεπιδράσεις υλικού-ιστού, επεξηγούν πρόσφατα ευρήματα σχετικά με τις σχέσεις μεταξύ ιδιοτήτων υλικού και βιολογικών αποκρίσεων, συζητούν τη σημασία των μαθηματικών/φυσικών μοντέλων και των αριθμητικών προσομοιώσεων στη βελτιστοποίηση του υλικού ιδιότητες και γεωμετρία, και σκιαγράφησε στρατηγικές σχεδιασμού για μηχανοβιοϋλικά και τις δυνατότητές τους για επιδιόρθωση και αναγέννηση ιστών.

Η επισκευή και η λειτουργική αποκατάσταση ιστικής βλάβης, όπως ελαττώματα χόνδρου, εκφύλιση μεσοσπονδύλιου δίσκου, απώλεια μυών και καρδιακές προσβολές, αποτελούν σημαντικές προκλήσεις για κλινικούς γιατρούς, ιατρικούς ερευνητές και βιομηχανικούς. Οι εμφυτεύσιμες και φορητές βιοϊατρικές συσκευές γίνονται όλο και πιο σημαντικές για την επισκευή ιστών και τη λειτουργική αποκατάσταση σε σύγκριση με τις παραδοσιακές θεραπείες.

Οι φυσικές, μηχανικές και βιοχημικές ιδιότητες αυτών των συσκευών, που βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στα συστατικά υλικά, παίζουν σημαντικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο το σώμα ανταποκρίνεται σε αυτές. Όπως οι φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις, η μηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ βιοϊατρικών συσκευών και ιστών είναι επίσης πανταχού παρούσα και σημαντική. Ενώ οι μηχανικοί παράγοντες έχουν κυρίως ληφθεί υπόψη για φέρουσες συσκευές ή/και σε στατικά σενάρια, υπάρχει δυνατότητα για ευρύτερη εφαρμογή.

Οι ανθρώπινοι και ζωικοί ιστοί έχουν εξειδικευμένες δομές και μηχανικές ιδιότητες για να ανταποκρίνονται σε δυναμικές φορτίσεις κατά τη διάρκεια φυσιολογικών δραστηριοτήτων. Η εξωκυτταρική μήτρα (ECM) μεταδίδει μηχανικές δυνάμεις στα κύτταρα, τα οποία μπορούν να προσαρμόσουν ανάλογα τις μεταβολικές τους δραστηριότητες.

Η βλάβη ή ο εκφυλισμός των ιστών μπορεί να οδηγήσει σε μη φυσιολογική καταπόνηση και κατανομή του στελέχους, αλλοιώνοντας τα μηχανικά ερεθίσματα που γίνονται αντιληπτά από τα κύτταρα. Αυτό μπορεί να διαταράξει τη σηματοδότηση των κυττάρων, να θέσει σε κίνδυνο την επισκευή των ιστών και να βλάψει τους υγιείς ιστούς. Για παράδειγμα, στην οστεοαρθρίτιδα (ΟΑ), οι αλλαγές στη δομή του υποχόνδριου οστού μπορεί να διαταράξουν τα μοτίβα μηχανικής καταπόνησης εντός του αρθρικού χόνδρου, οδηγώντας σε διαταραχές του μεταβολισμού των χονδροκυττάρων και εκφυλισμό του χόνδρου.

Η διόρθωση μη φυσιολογικών κυτταρικών μηχανικών περιβαλλόντων και η ανακατασκευή μηχανο-προσαρμοστικών διαδικασιών ιστού μπορεί ενδεχομένως να αποτρέψει ή να αναστρέψει την παθογένεση των ιστών. Έχουν επίσης εντοπιστεί αρκετά σημαντικά μηχανοβιολογικά μονοπάτια σηματοδότησης και μοριακοί μηχανισμοί που σχετίζονται με την αναγέννηση των ιστών. Αυτό οδήγησε σε προόδους στον σχεδιασμό βιοϋλικών για τη ρύθμιση των αποκρίσεων του περιβάλλοντος ιστού και των κυττάρων μέσω μηχανικών αλληλεπιδράσεων, με αποτέλεσμα την ενισχυμένη επισκευή και αναγέννηση των ιστών.

Τα μηχανοβιοϋλικά είναι ένα ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο που επικεντρώνεται στον προληπτικό σχεδιασμό βιοϋλικών με συγκεκριμένες εμβιομηχανικές ιδιότητες, αποκρίσεις ή συμπεριφορές για την προώθηση της αναγέννησης των ιστών. Ο στόχος είναι να δημιουργηθούν βιοϋλικά που μπορούν να προσαρμοστούν σε μεταβαλλόμενα μηχανικά περιβάλλοντα in vivo και να ενισχύσουν το αναγεννητικό δυναμικό του σώματος. Αυτό το πεδίο ενσωματώνει τη βιολογία, την εμβιομηχανική, την επιστήμη των υλικών και τη βιομηχανική για να δημιουργήσει βιοϋλικά που επηρεάζουν προληπτικά τις αποκρίσεις των κυττάρων και των ιστών μέσω μηχανικών ενδείξεων.

Η έρευνα έχει δείξει πολλά υποσχόμενα για την επιδιόρθωση διαφόρων ιστών και έχει ανοίξει νέες εφαρμογές. Οι συγγραφείς συνοψίζουν τις βασικές αρχές των μηχανικών αλληλεπιδράσεων υλικού-ιστού, τη σχέση μεταξύ της μηχανικής του υλικού και των βιολογικών αποκρίσεων και τις αρχές για το σχεδιασμό μηχανοβιοϋλικών για επιδιόρθωση και αναγέννηση ιστών. Ελπίζεται ότι η επισκόπηση θα ενθαρρύνει περαιτέρω έρευνα σε αυτόν τον τομέα. Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Mechanobiology in Medicine. Επικεφαλής της ομάδας ήταν οι καθηγητές Lei Yang (Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Hebei) και Huajian Gao (Πανεπιστήμιο Tsinghua) στην Κίνα.

Συντάκτης

Δείτε Επίσης

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

εισάγετε το σχόλιό σας!
παρακαλώ εισάγετε το όνομά σας εδώ

Τελευταία άρθρα