پلیمرهای حافظه شکلی و تغییر شکل‌دهنده در مکانوبیولوژی یاخته

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 دانشجو/ دانشگاه اصفهان

2 هیات علمی/ دانشگاه اصفهان

چکیده

بافت­ های بدن انسان مجموعه پیچیده­ ا­ی از چند نوع یاخته مختلف است که روی ماتریس برون­ یاخته ­ای (ECM) پراکنده شده­ اند. افزون بر عوامل زیست­ شیمیایی و شیمی­ فیزیکی، تغییرات پویا در خواص مکانیکی-ساختاری ECM، به تغییر رفتار یاخته از قبیل تکثیر، تمایز و ماهیت طبیعی منجر می­ شود. از آنجا که هر گونه فعالیت یاخته در درون بدن، روی بستر دینامیکی بوده، لازم است تا شرایطی فراهم شود که محیط دینامیکی درون بدن را بتوان در مطالعات، شبیه ­سازی کرد. بنابراین، پژوهشگران به­ منظور طراحی بسترهای کشت یاخته و داربست­ های هوشمند مهندسی بافت نیازمند زیست­ مواد هوشمندی هستند که بتوانند به­ عنوان بستری قدرتمند عمل کنند. پلیمرهای حافظه شکلی (SMP) و پلیمرهای تغییر شکل­ دهنده (SCP) نسل جدیدی از پلیمرهای هوشمند هستند که می­ توانند در مجاورت یک محرک از شکل A به B تبدیل شوند و خواص مکانیکی و ساختاری جدیدی را در شکل جدید ایجاد کنند. اگرچه تاکنون مطالعات مهندسی بافت درباره بسترهای ایستا انجام شده است، اما امروزه معلوم شده، سرنوشت یاخته در تکثیر و تمایز متأثر از شرایط دینامیکی محیط است. بنابراین، پژوهش­ های اخیر درباره طراحی بسترهایی با ویژگی­ های واپایش ­پذیر متمرکز شده است. در این مقاله­ مروری، ابتدا اصول اولیه علم مکانوبیولوژی معرفی شده و سپس به پژوهش­ های انجام ­شده در زمینه­ طراحی بسترهای هوشمند برپایه­ پلیمرهای SMP و SCP پرداخته می­ شود. بدیهی است، آشنایی با روش ­های نوین مهندسی بافت، که بتوانند شرایط واقعی را حین تشکیل اندام، ترمیم، عضله ­سازی و سایر موارد فراهم آورند، می­تواند چشم­ انداز نوآورانه­ تری را پیش روی پژوهشگران ایجاد کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Shape Memory and Shape Changing Polymers in Cell Mechanobiology

نویسندگان [English]

  • mehdi sheikhi 1
  • Fatemeh Rafiemanzelat 2
1 PhD candidate/ Isfahan University
2 Faculty/ University of Isfahan
چکیده [English]

The tissues in the human body comprise complex assemblages of several different types of cells that are dispersed on an extracellular matrix (ECM). In addition to biochemical and chemophysical factors, dynamic changes in the mechanical-structural properties of ECM lead to changes in cell behavior such as proliferation, differentiation, and its nature. Since any activity of the cells takes place on a dynamic substrate in the body, it is necessary to provide conditions in which the dynamic environment inside the body can be simulated. Therefore, researchers need intelligent biomaterials that can act as a powerful substrate to design smart cell culture platforms and tissue engineering scaffolds, as well as to simulate this complex environment. Shape memory polymers (SMPs) and shape-changing polymers (SCPs) are the new generations of intelligent materials that can be converted from shape A to shape B in a response to a stimulus, creating new mechanical and structural properties. Although tissue engineering studies on static substrates have been performed so far, it is now clear that the fate of cells in proliferation and differentiation is influenced by the dynamic conditions of the environment. However, recent studies have been focused on designing new substrates to mimic the dynamic microenvironment. In this review article, a brief definition of cell mechanobiology is introduced and then the recent advances in the design of SMPs and SCPs used in fundamental cell mechanobiology studies were highlighted. A survey of the current review can create a more innovative perspective for researchers in this field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • mechanobiology
  • smart polymer
  • shape memory polymer
  • shape changing polymer
  • biomaterials
1. Ozkale B., Sakar M.S., and Mooney D.J., Active Biomaterials for Mechanobiology, Biomaterials, 120497, 2020.
2. Mohammed D., Versaevel M., Bruyère C., Alaimo L., Luciano M., Vercruysse E., Procès A., and Gabriele S., Innovative
Tools for Mechanobiology: Unraveling Outside-In and InsideOut Mechanotransduction, Front. Bioeng. Biotechnol., 7, 162,
2019.
3. Uto K., Tsui J.H., DeForest C.A., and Kim D.H., Dynamically Tunable Cell Culture Platforms for Tissue Engineering and
Mechanobiology, Prog. Polym. Sci., 65, 53-82, 2017.
4. Tibbitt M.W. and Anseth K.S., Dynamic Microenvironments: The Fourth Dimension, Sci. Transl. Med., 4, 160ps24, 2012.
5. Van Haaften E.E., Bouten C.V., and Kurniawan N.A., Vascular Mechanobiology: Towards Control of In Situ Regeneration,
Cells, 6, 19, 2017.
6. Page-McCaw A., Ewald A.J., and Werb Z., Matrix Metalloproteinases and the Regulation of Tissue Remodeling,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 8, 221, 2007.
7. Shi H., Wang C., and Ma Z., Stimuli-Responsive Biomaterials for Cardiac Tissue Engineering and Dynamic Mechanobiology,APL Bioeng., 5, 011506, 2021.
8. Cox T.R. and Erler J.T., Remodeling and Homeostasis of the Extracellular Matrix: Implications for Fibrotic Diseases and
Cancer, Dis. Model. Mech., 4, 165-178, 2011.
9. Williams C., Quinn K.P., Georgakoudi I., and Black L.D., Young Developmental Age Cardiac Extracellular Matrix Promotes
the Expansion of Neonatal Cardiomyocytes In Vitro, Acta Biomater., 10, 194-204, 2014.
10. Garbern J.C., Hoffman A.S., Stayton and P.S., Injectable pHand Temperature-Responsive Poly(N-isopropylacrylamideco-propylacrylic acid) Copolymers for Delivery of AngiogenicGrowth Factors, Biomacromolecules, 11, 1833-1839, 2010.11. Shimoboji T., Larenas E., Fowler T., Kulkarni S., Hoffman A.S., and Stayton P.S., Photoresponsive Polymer–Enzyme
Switches, PNAS, 99, 16592-16596, 2002.
12. Liu C., Qin H., and Mather P.T., Review of Progress in ShapeMemory Polymers, J. Mater. Chem., 17, 1543-58, 2007.
13. Huang W.M., Ding Z., Wang C.C., Wei J., Zhao Y., and Purnawali H., Shape Memory Materials, Mater. Today, 13, 54-
61, 2010.
14. Wang K., Strandman S., and Zhu X.X., A Mini Review: Shape Memory Polymers for Biomedical Applications, Front. Chem. Sci. Eng., 11, 143-153, 2017.
15. Davis K.A., Burke K.A., Mather P.T., and Henderson J.H., Dynamic Cell Behavior on Shape Memory Polymer Substrates,
Biomaterials, 32, 2285-2293, 2011.
16. Neuss S., Blomenkamp I., Stainforth R., Boltersdorf D., Jansen M., Butz N., Perez-Bouza A., and Knüchel R., The
Use of a Shape-Memory Poly(ε-caprolactone) Dimethacrylate Network as a Tissue Engineering Scaffold, Biomaterials, 30,
1697-1705, 2009.
17. Ebara M., Uto K., Idota N., Hoffman J.M., and Aoyagi T., Shape‐Memory Surface with Dynamically Tunable Nano‐
Geometry Activated by Body Heat, Adv. Mater., 24, 273-278,2012.
18. Ebara M., Uto K., Idota N., Hoffman J.M., and Aoyagi T., The Taming of the Cell: Shape-Memory Nanopatterns Direct Cell Orientation, Int. J. Nanomedicine, 9, 117, 2014.
19. Ebara M., Shape-Memory Surfaces for Cell Mechanobiology, Sci. Technol. Adv. Mater., 16, 014804, 2015.
20. Shou Q., Uto K., Lin W.C., Aoyagi T., and Ebara M., Near‐ Infrared‐Irradiation‐Induced Remote Activation of Surface
Shape‐Memory to Direct Cell Orientations, Macromol. Chem. Phys., 24, 2473-2481, 2014.
21. Engler A.J., Sen S., Sweeney H.L., and Discher D.E., Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification, Cell, 126,
677-689, 2006.
22. Reinhart-King C.A., Dembo M., and Hammer D.A., Cell-Cell Mechanical Communication through Compliant Substrates,
Biophys. J., 95, 6044-6051, 2008.
23. Frey M.T. and Wang Y.L., A Photo-Modulatable Material for Probing Cellular Responses to Substrate Rigidity, Soft Matter,5, 1918-1924, 2009.
24. Yang C., Tibbitt M.W., Basta L., and Anseth K.S., Mechanical Memory and Dosing Influence Stem Cell Fate, Nat. Mater.,
13, 645, 2014.
25. Caliari S.R., Perepelyuk M., Cosgrove B.D., Tsai S.J., Lee G.Y., Mauck R.L, and Wells R.G., Stiffening Hydrogels
for Investigating the Dynamics of Hepatic Stellate Cell Mechanotransduction During Myofibroblast Activation, Sci.
Rep., 6, 21387, 2016.
26. Young J.L. and Engler A.J., Hydrogels with Time-Dependent Material Properties Enhance Cardiomyocyte Differentiation
In Vitro, Biomaterials, 32, 1002-1009, 2011.
27. Yoshikawa H.Y., Rossetti F.F., Kaufmann S., Kaindl T., Madsen J., Engel U., Lewis A.L., Armes S.P., and Tanaka
M., Quantitative Evaluation of Mechanosensing of Cells onDynamically Tunable Hydrogels, J. Am. Chem. Soc., 133,
1367-1374, 2011.
28. Uto K., Ebara M., and Aoyagi T., Temperature-Responsive Poly(ε-caprolactone) Cell Culture Platform with Dynamically
Tunable Nano-Roughness and Elasticity for Control of Myoblast Morphology, Int. J. Mol. Sci., 15, 1511-1524, 2014.
29. Kiang J.D., Wen J.H., del Álamo J.C., and Engler A.J., Dynamic and Reversible Surface Topography Influences Cell
Morphology, J. Biomed. Mater. Res. A, 101, 2313-2321, 2013.
30. Yang P., Baker R.M., Henderson J.H., and Mather P.T., In Vitro Wrinkle Formation Via Shape Memory Dynamically Aligns
Adherent Cells, Soft Matter, 9, 4705-4714, 2013.