Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Wanneer het hart een massale aanval ondergaat, snijdt een blokkade de bloedtoevoer af, waardoor een stuk spierweefsel sterft en niet meer in staat is zichzelf te genezen. In tegen tegenstelling tot een gebroken bot dat weer aan elkaar groeit, heeft hartspierweefsel een zeer beperkt vermogen tot regeneratie. Zodra de cellen sterven, zijn ze weg, vervangen door stijf littekenweefsel dat geen bloed kan pompen. Om dit te repareren, verkennen wetenschappers een methode genaamd weefseltechnologie (tissue engineering), die erop gericht is om tijdelijke, kunstmatige structuren te bouwen die nieuwe hartcellen kunnen ondersteunen en hen kunnen stimuleren om te groeien. Deze structuren, bekend als scaffolds (steunstructuren), moeten meer doen dan alleen cellen op hun plaats houden; ze moeten de natuurlijke omgeving van het hart nabootsen, die zacht, flexibel is en constant elektrische signalen uitzendt om het hart in ritme te houden. De uitdaging ligt in het creëren van een materiaal dat sterk genoeg is om de fysieke stress van een kloppend hart te weerstaan, veilig genoeg is zodat het lichaam het accepteert, en geleidend genoeg is om die vitale elektrische impulsen te dragen.

In een recente studie probeerden onderzoekers een dergelijke scaffold te creëren door drie verschillende materialen samen te voegen in één enkele, functionele laag. Ze combineerden een synthetisch plastic dat bekend staat om zijn elasticiteit, een natuurlijk suikergebaseerd polymeer dat in schaaldieren wordt gevonden, en een speciaal type plastic dat elektriciteit kan geleiden. Het synthetische plastic, thermoplastisch polyurethaan, biedt de nodige rekbaarheid en duurzaamheid. Het natuurlijke polymeer, chitosan, biedt een oppervlak dat levende cellen herkennen en waar ze graag aan hechten. Om het probleem van elektrische geleidbaarheid op te lossen, voegde het team polypyrrool toe, een materiaal dat elektriciteit door zich laat stromen, vergelijkbaar met een draad, maar in een vorm die kan worden gemengd met andere zachte materialen. Ze voegden ook twee veelvoorkomende additieven toe, natriumalginaat en calciumgluconaat, om de mengeling te helpen zijn vorm te behouden en beter met het lichaam te interageren. Het doel was om te zien of deze specifieke combinatie een stabiele, poreuze structuur kon creëren die de groei van hartcellen ondersteunt terwijl het elektriciteit geleidt.

De onderzoekers begonnen met het oplossen van deze componenten in verschillende oplosmiddelen en het mengen ervan in verschillende verhoudingen om de perfecte balans te vinden. Ze ontdekken dat het simpelweg mengen van het plastic en het natuurlijke polymeer zonder de andere ingrediënten resulteerde in een laag die te dicht was en een gebrek had aan de kleine gaatjes, of poriën, die cellen nodig hebben om te ademen en doorheen te bewegen. Echter, wanneer ze de additieven en het geleidende materiaal introduceerden, veranderde de mengeling. De additieven hielpen bij het creëren van een sponsachtige structuur met onderling verbonden poriën, wat essentieel is voor cellen om in het materiaal te infiltreren. Naarmate ze de hoeveelheid geleidend polypyrrool verhoogden, werden de poriën kleiner en werd het oppervlak van het materiaal ruwer. Deze ruwheid is eigenlijk gunstig, omdat het cellen meer oppervlak biedt om zich aan vast te grijpen, vergelijkbaar met hoe een getextureerd oppervlak meer grip biedt dan een glad oppervlak.

Cruciaal is dat de toevoeging van het geleidende materiaal de elektrische eigenschappen van de scaffold transformeerde. De basismengeling van plastic en natuurlijk polymeer geleidde helemaal geen elektriciteit. Maar zodra het polypyrrool werd toegevoegd, werd de laag in staat om een elektrische stroom te dragen. Hoe meer polypyrrool ze toevoegden, hoe beter de laag elektriciteit geleidde. Dit is een vitale bevinding omdat hartcellen vertrouwen op elektrische signalen om hun hartslag te coördineren; een scaffold die geen elektriciteit kan geleiden, zou er niet in slagen het natuurlijke ritme van het hart te ondersteunen. Het team testte ook hoe het materiaal reageerde op water. Terwijl de basismengeling water afstootte, maakte de toevoeging van het geleidende materiaal het oppervlak watervriendelijker, wat over het algemeen helpt om cellen gemakkelijker te laten hechten en zich te verspreiden.

Om te zien of deze nieuwe materialen veilig en effectief waren, testten de onderzoekers ze op levende hartcellen en bloedvatcellen in een laboratoriumsetting. Ze vonden dat de cellen niet alleen overleefden op de scaffolds, maar ook goed groeiden en stevig aan het oppervlak hechtten. De hartcellen behielden hun karakteristieke vorm en vertoonden zelfs tekenen van de ontwikkeling van de interne structuren die nodig zijn voor contractie. De studie keek ook naar hoe de scaffolds in de loop van de tijd afbraken. De materialen waren ontworpen om biologisch afbreekbaar te zijn, wat betekent dat ze langzaam zouden oplossen naarmate nieuw weefsel wordt gevormd. De resultaten toonden aan dat de scaffolds met het geleidende materiaal iets sneller afbraken dan de basismengeling, waarschijnlijk omdat ze meer water absorbeerden. Dit suggereert dat ze kunnen verdwijnen met een snelheid die overeenkomt met de groei van nieuw hartweefsel.

Buiten het ondersteunen van hartcellen alleen, onderzochten de onderzoekers of de scaffolds de groei van nieuwe bloedvaten konden stimuleren, een proces dat angiogenese wordt genoemd. Zonder een verse aanvoer van bloedvaten kan nieuw hartweefsel niet overleven. Met behulp van een biologisch model bestaande uit kippembryo's, observeerden zij dat de scaffolds die het geleidende materiaal en het calcium-additief bevatten, de groei van nieuwe bloedvaten effectiever bevorderden dan de basismengeling. Dit geeft aan dat de specifieke combinatie van ingrediënten niet alleen het hartspierweefsel direct ondersteunt, maar ook helpt bij het opbouwen van het noodzakelijke vasculaire netwerk om hen te voeden. De studie merkte ook op dat de scaffolds enige capaciteit vertoonden om de groei van bepaalde bacteriën te remmen, wat een nuttig bijeffect kan zijn bij het voorkomen van infecties na implantatie.

De onderzoekers concludeerden dat de meest veelbelovende versie van hun scaffold degene was die een specifieke, matige hoeveelheid van het geleidende materiaal bevatte. Deze versie bood de beste balans: het was sterk genoeg om zijn vorm te behouden, flexibel genoeg om mee te bewegen met het hart, geleidend genoeg om elektrische signalen te dragen, en poreus genoeg om cellen binnenin te laten groeien. Hoewel de studie het materiaal niet getest heeft in een levend menselijk of dierlijk hart, suggereren de laboratoriumresultaten dat deze combinatie van materialen een gunstige omgeving creëert voor cardiale reparatie. Door de mengeling van synthetisch plastic, natuurlijk polymeer en geleidend materiaal zorgvuldig af te stemmen, heeft het team een platform gecreëerd dat aan de vele complexe eisen van hartweefseltechnologie voldoet, en een potentieel pad biedt naar het repareren van het beschadigde hartspierweefsel dat momenteel geen natuurlijke manier heeft om zichzelf te genezen.