Los hidrogeles se utilizan comúnmente como biomateriales para aplicaciones en biomedicina debido a su biocompatibilidad. Sin embargo, la relación entre las células biológicas y la superficie del hidrogel aún no está clara y los parámetros existentes para explicar las interacciones no son lo suficientemente sofisticados. En un estudio reciente, Jooyoung Lee, Boa Song y sus colaboradores en el Centro de Biomateriales y el Departamento de Ingeniería de Polímeros de la República de Corea estudiaron el impacto de la flexibilidad de la cadena de polímeros en la adhesión celular. con una variedad de construcciones de hidrogel compuestos por polímeros naturales colágeno y fibrina.

Introdujeron un nuevo método de semiflexible, análisis basado en modelos para confirmar que la flexibilidad de la cadena mediaba la microestructura del hidrogel como un factor crítico que permitía la adhesión celular en la interfase célula-material. El análisis propuesto en el estudio es capaz de predecir con mayor precisión la biocompatibilidad (citocompatibilidad) de los hidrogeles. Resultados del trabajo ahora publicado en Informes científicos, proporcionan un criterio importante para el diseño y desarrollo de polímeros al mejorar la biocompatibilidad y la biofuncionalización en la interfaz célula-material para aplicaciones biomédicas in vivo.

Los hidrogeles están hechos de redes de polímeros hinchados con agua y tienen aplicaciones en la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. La adhesión del material celular es crucial para la biocompatibilidad in vivo y la mayoría de los estudios han probado el comportamiento celular analizando la rigidez global de la composición de los materiales. Sin embargo, La comunicación entre las células en la superficie del hidrogel aún no se comprende con precisión. La FDA aprobó polímeros naturales de colágeno y fibrina, proporcionan una excelente biocompatibilidad para aplicaciones biomédicas. También conocidos como polímeros semiflexibles, no cumplen con modelos de soluciones de cadenas flexibles o redes de varillas rígidas. El modelo semiflexible permite la predicción de la flexibilidad de la cadena de redes de polímeros escalando experimentalmente el módulo de meseta elástica.

En el nuevo estudio, Lee y Song et al. propuso una nueva, Análisis basado en modelos semiflexibles para comprender la adhesión celular a hidrogeles utilizando polímeros de colágeno y fibrina bien caracterizados. Utilizaron tres componentes diferentes de colágeno y fibrina, para investigar los factores que determinaron la adhesión celular:

1. Sustratos revestidos bidimensionales (2-D).
2. Hidrogeles 2-D a granel, y
3. Hidrogeles tridimensionales a granel

Los científicos variaron la concentración de hidrogel en los componentes del material de 1 mg / mL a 7 mg / mL y cuantificaron la rigidez y rugosidad de los biomateriales recién formados. Para definir los parámetros de la vinculación de la celda, observaron la morfología en cadena de los nuevos materiales. Los resultados confirmaron que la microarquitectura de los hidrogeles afectó la flexibilidad de la cadena como un factor crucial que afecta la adhesión celular.

En la configuración experimental, los científicos prepararon una variedad de construcciones de colágeno y fibrina, para probar la adhesión celular sin efectos de la gravedad. Controlaron la rigidez del hidrogel utilizando concentraciones incrementales de cada componente y cuantificaron la relación tensión-deformación en función de la tensión axial (tracción o compresión) y rotacional (cortante). Para medir las propiedades reológicas de los hidrogeles, los científicos utilizaron un reómetro controlado por estrés. Luego midieron el módulo de compresión para la prueba de tracción con una máquina de prueba universal. Para investigar la topografía de la superficie, los científicos usaron un microscopio de fuerza atómica, seguido de microindentación para medir el módulo de Young (E) de los hidrogeles, donde calcularon el promedio (E) usando el software de procesamiento de datos JPK. Lee y Song et al. creen que el estudio fue el primero en investigar la adhesión celular a hidrogeles utilizando la pendiente de elasticidad de los polímeros modelo semiflexibles.

Para el cultivo celular en el laboratorio, Lee y Song et al. utilizaron células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) como línea celular preferida. Midieron la tasa de adhesión celular en diversas concentraciones de hidrogeles de colágeno y fibrina en 2-D, y adhesión celular cuantificada usando el kit de recuento celular 8 (CCK-8). Los científicos no observaron una diferencia estadísticamente significativa entre la adhesión celular sobre sustratos recubiertos de colágeno 2-D y fibrina; posiblemente dado que las células detectaron las propiedades mecánicas de las placas de cultivo celular, en lugar de las propiedades materiales de los hidrogeles. En superficies de hidrogel a granel 2-D, La adhesión celular al colágeno (geles en masa 2-D) fue mucho mayor que la de los geles en masa de fibrina en 2-D. Es más, a medida que variaba la concentración de hidrogel, los científicos observaron que la unión celular aumentaba sistemáticamente con la creciente concentración de colágeno. En comparación, la adhesión celular sobre geles de fibrina fue independiente de la concentración del hidrogel incorporado.

Lee y Song et al. luego usó estructuras de hidrogeles con lumen tridimensional para aclarar la tasa de adhesión celular en geles de colágeno y fibrina. Observaron que las células estaban mejor adheridas al colágeno en comparación con los geles de fibrina. Los fenotipos de adhesión celular también fueron mucho más claros en las construcciones 3-D en comparación con las uniones en 2-D. Típicamente, las células se adhieren a las superficies del material o la matriz extracelular (MEC) a través de puntos de anclaje conocidos como adherencias focales. Las células en sustratos más rígidos generalmente contienen citoesqueletos bien organizados para adherencias focales estables. Para comprender si los hidrogeles a granel podrían contribuir a la adhesión celular, los científicos trazaron la rigidez global de los hidrogeles y compararon el colágeno y la fibrina en diferentes concentraciones. Lee y Song et al. de ese modo demostró experimentalmente que la rigidez aparente no era un factor crítico para impactar la adhesión celular sobre los hidrogeles.

Los científicos determinaron el módulo de Young y el módulo de compresión como propiedades mecánicas adicionales de los materiales que influyeron en la adhesión celular. Mostraron cómo la rigidez aumentaba al aumentar la concentración, y sugirió la flexibilidad de la cadena como parámetro apropiado. A pesar del aumento de la rigidez con el aumento de la concentración de colágeno y fibrina, los científicos no pudieron explicar las tasas variables de adhesión celular observadas entre los dos polímeros.

Para esto, Lee y Song et al. examinó la arquitectura de las moléculas de fibra y sus redes a escala microscópica utilizando microscopía de fuerza atómica. Los geles de colágeno mostraron una estructura fibrosa como se informó anteriormente, con forma de varilla bien definida, filamentos semiflexibles. En comparación, en la estructura del gel de fibrina, los científicos solo observaron unos pocos filamentos semiflexibles, donde la proteína asociada se entrelazó como cadenas flexibles atrapadas dinámicamente. Para confirmar el grado de unión celular en hidrogel, los científicos tiñeron las células con el marcador de superficie celular CD31 (glicoproteína expresada en células endoteliales) y confirmaron la arquitectura estable del endotelio en el material.

Los científicos observaron que la adhesión celular total al hidrogel de colágeno era mayor que al hidrogel de fibrina. Los resultados se debieron a la mayor rigidez del colágeno a escala microscópica, en comparación con la arquitectura de cadena relativamente flexible de la fibrina. Así, los científicos mostraron la rigidez microscópica de los hidrogeles como un factor dominante que determinaba el grado de unión celular a la superficie de un biomaterial.

De este modo, Lee y Song et al. propuso métodos analíticos en el estudio para describir la interacción entre la adhesión celular y las superficies del material. Los resultados proporcionarán pautas importantes durante el diseño de biomateriales en el futuro, al tiempo que integra propiedades optimizadas del material de durabilidad y resistencia mecánica para aplicaciones de hidrogel in vivo. Los científicos demostraron un semiflexible, Explicación basada en modelos de la adhesión celular a biomateriales mediante el estudio de la rigidez del tejido para controlar la adhesión celular. proliferación y diferenciación de las construcciones materiales. Los autores proponen que este método simple puede explicar las propiedades de la adhesión celular en biomateriales poliméricos para realizar predicciones precisas de biocompatibilidad. Los resultados proporcionarán una herramienta práctica para diseñar y construir tejido artificial 3-D con mayor precisión biomecánica y biocompatibilidad para una variedad de aplicaciones. como la bioingeniería de los vasos sanguíneos y los mecanismos de administración de fármacos in vivo.

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