3D collagen scaffold for peripherial nerve regeneration

Abstract

The nerve regeneration process is a complex pathway that most of the time is not completed and represents a life of limitations for people that suffers from injury or diseases that compromises neuron functionality involving the peripherial nervous system. The use of allografts and autografts are the primary solutions, although many limitations arise such as donor site morbidity and limited grafting material. Basic requirements for the nerve regeneration process, involve presence of natural components, neurotrophic factors and 3D morphology to promote physical and biological support to surroundings cells. These elements are the fundaments to incorporated within the design of a biomaterial that will promote peripherial nerve regeneration. Nerve conduits have brought interest as powerful solutions based in the fact of been natural polymer 3D structures with highly tunable properties and, that mimic the extracellular matrix (ECM). In this research a 3D collagen type I scaffold will be presented with tunable properties such as nanofiber diameter and orientation. Diameter and orientation of the nanofibers are crucial factors to influence the cell interactions and further cell functionalization towards proliferation and expression of neurotrophic factors and guide the regeneration process. Electrospinning technique was used to develop the scaffold and its versatility made possible the modification to the scaffold properties. The morphology of the scaffold nanofibers was analyzed with Scanning Electron Microscope (SEM), along with a quantitative measured with ImageJ software. The chemical composition of collagen type I was corroborated with Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Fluorescent microscopy was used to identify the cell adherence to the scaffold and monitored cell growth direction influenced by the orientation of the scaffold nanofibers. The results showcase the potential of electrospun collagen type I scaffold to promote cell adhesion, along with control of direction and organization of cell growth. The development of the scaffold with variable morphologies (random and align) and diameters promotes a 3D platform, baseline data study for nerve regeneration process and wide design possibilities for a nerve conduit that best fits the cell environment and mimics the ECM.

El proceso de regeneración de tejido nervioso es uno muy complejo y en la mayoría de las ocasiones no es completado de forma satisfactoria y representa una vida de limitaciones para personas que padecen de una lesión o enfermedad que ha comprometido la función de sistema nervioso periférico. Las soluciones mas comunes son “allograft” y “autograft”, pero las mismas tienen limitaciones tales como, morbilidad del lugar donante y materiales de injerto limitados. Requisitos básicos para promover el proceso de regeneración, incluye la presencia de componentes naturales, factores neurotróficos y una morfología 3D para brindar apoyo físico y biológico a células del alrededor. Estos requisitos mencionados son los fundamentos por incorporar en el diseño de un biomaterial que promueva la regeneración del tejido nervioso. “Nerve conduits” han atraído interés como una poderosa solución basado en que pueden ser desarrollados a base de polímeros naturales con una estructura 3D que puede ser modificada para simular la matriz extracelular (MEC). En esta investigación se presentará un andamio 3D de colágeno tipo I con propiedades modificables tales como orientación y diámetro de la nanofibras del andamio. El diámetro y orientación de las nanofibras son factores cruciales que influencian las interacciones celulares que promueven la proliferación, expresión de factores neurotrópicos, y guía para el proceso de regeneración. La técnica de “electrospinning” fue utilizada para desarrollar el andamio y la versatilidad de la técnica hizo posible la modificación de las propiedades del andamio. La morfología del andamio fue analizada con Microscopio Electrónico de Barrido y de forma cuantitativa con el programa de “ImageJ”. La composición química del colágeno tipo I fue corroborada con espectroscopía de Transformada de Fourier. Microscopía de fluorescencia fue utilizada para identificar la adhesión celular al andamio y monitorear la dirección del crecimiento celular influenciado con por la orientación de las nanofibras del andamio. Los resultados muestran el potencial de un andamio de colágeno tipo I que promueve adhesión celular, organización y dirección en el crecimiento celular. El desarrollo del andamio con unas propiedades variables en orientación y diámetro, promueve una plataforma 3D y data suficiente para estudiar el proceso de regeneración del tejido nervioso con una amplia posibilidad de propiedades de diseño para una mejor simulación a la matriz extracelular.