Biomatériaux naturels biomimétiques pour l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative : nouvelles méthodes de biosynthèse, avancées récentes et applications émergentes

Recherche médicale militaire volume 10, Numéro d'article : 16 (2023) Citer cet article

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Les matériaux biomimétiques sont apparus comme des alternatives attractives et compétitives pour l’ingénierie tissulaire (ET) et la médecine régénérative. Contrairement aux biomatériaux conventionnels ou aux matériaux synthétiques, les échafaudages biomimétiques basés sur des biomatériaux naturels peuvent offrir aux cellules un large spectre de signaux biochimiques et biophysiques qui imitent la matrice extracellulaire (MEC) in vivo. De plus, ces matériaux ont une adaptabilité mécanique, une interconnectivité microstructurale et une bioactivité inhérente, ce qui les rend idéaux pour la conception d'implants vivants pour des applications spécifiques en TE et en médecine régénérative. Cet article donne un aperçu des progrès récents des biomatériaux naturels biomimétiques (BNBM), y compris les progrès dans leur préparation, leur fonctionnalité, leurs applications potentielles et leurs défis futurs. Nous mettons en évidence les progrès récents dans la fabrication des BNBM et décrivons des stratégies générales pour fonctionnaliser et adapter les BNBM avec diverses caractéristiques biologiques et physicochimiques de l'ECM native. De plus, nous offrons un aperçu des avancées clés récentes dans la fonctionnalisation et les applications des BNBM polyvalents pour les applications TE. Enfin, nous concluons en offrant notre point de vue sur les défis ouverts et les développements futurs dans ce domaine en évolution rapide.

L'ingénierie tissulaire (ET) vise à restaurer, préserver ou améliorer la structure et la fonction de tissus ou d'organes défectueux en intégrant des signaux biologiques et des stratégies de bioéchafaudage [1,2,3]. Les bioéchafaudages fournissent une niche aux cellules en imitant la composition, la structure et les propriétés de la matrice extracellulaire (ECM) in vivo et offrent aux cellules un large spectre d'indices biologiques et physicochimiques. L'ECM agit comme un réseau de biomasse qui combine douceur, ténacité et élasticité pour fournir un support mécanique et une intégrité structurelle aux tissus et organes. Il est principalement composé d’une matrice polysaccharidique contenant une variété de protéines intégrées, telles que le collagène, l’élastine et la fibronectine. La microstructure hiérarchique tridimensionnelle (3D) et la nature électromécanique de l'ECM jouent un rôle essentiel dans ses propriétés de transport, sa communication cellulaire, sa mécanotransduction et la signalisation des facteurs de croissance en interagissant avec les récepteurs de la surface cellulaire, ainsi que dans la liaison des facteurs de croissance et d'autres molécules de signalisation.

Les biomatériaux naturels dérivés de ressources renouvelables, telles que les plantes, les animaux et les micro-organismes, présentent une grande diversité de constituants, de microstructures et de propriétés physiologiques uniques mais complexes. De tels matériaux offrent un support biologique adapté à la fixation et à la croissance cellulaire avec un ensemble diversifié de fonctions dans leur environnement d'origine [2, 4]. Ainsi, les biomatériaux naturels, lorsqu’ils sont repeuplés avec des cellules autologues ou génétiquement modifiées, peuvent servir de modèle idéal pour la conception d’implants vivants destinés à des applications spécifiques en TE et en médecine régénérative. Par conséquent, ils constituent un bon choix pour les échafaudages biomimétiques TE en raison de leur forme et de leur adaptabilité mécanique, de leur interconnectivité microstructurale et de leur bioactivité inhérente, qui imite l’ECM native. De plus, ces biomatériaux naturels biomimétiques (BNBM) possèdent des structures moléculaires bien définies et de nombreux sites actifs permettant une modification fonctionnelle ultérieure et/ou un ancrage avec d'autres matériaux, permettant la préparation d'une grande variété de produits personnalisés dotés de propriétés souhaitables et de fonctions affinées. .

Cependant, les matériaux naturels sont confrontés à plusieurs limitations, telles que la variabilité des lots, la dégradation rapide, les faibles propriétés mécaniques et la transformabilité limitée, qui ralentissent leur traduction clinique. Pour imiter l'ECM naturelle, les échafaudages basés sur les BNBM peuvent être adaptés pour fournir des propriétés physicochimiques, mécaniques et biologiques supérieures, favorisant ainsi l'infiltration, l'adhésion, la différenciation cellulaire, ainsi que le transport de l'oxygène et des nutriments.