Idrogel Iniettabili Autorigeneranti per la Rigenerazione dei Tessuti

Biomaterials with the ability to self-heal and recover their structural integrity offer many advantages for applications in biomedicine. The past decade has witnessed the rapid emergence of a new class of self-healing biomaterials commonly termed injectable, or printable in the context of 3D printing. These self-healing injectable biomaterials, mostly hydrogels and other soft condensed matter based on reversible chemistry, are able to temporarily fluidize under shear stress and subsequently recover their original mechanical properties. Self-healing injectable hydrogels offer distinct advantages compared to traditional biomaterials. Most notably, they can be administered in a locally targeted and minimally invasive manner through a narrow syringe without the need for invasive surgery. Their moldability allows for a patient-specific intervention and shows great prospects for personalized medicine. Injected hydrogels can facilitate tissue regeneration in multiple ways owing to their viscoelastic and diffusive nature, ranging from simple mechanical support, spatiotemporally controlled delivery of cells or therapeutics, to local recruitment and modulation of host cells to promote tissue regeneration. Consequently, self-healing injectable hydrogels have been at the forefront of many cutting-edge tissue regeneration strategies. This study provides a critical review of the current state of self-healing injectable hydrogels for tissue regeneration. As key challenges toward further maturation of this exciting research field, we identify (i) the trade-off between the self-healing and injectability of hydrogels vs their physical stability, (ii) the lack of consensus on rheological characterization and quantitative benchmarks for self-healing injectable hydrogels, particularly regarding the capillary flow in syringes, and (iii) practical limitations regarding translation toward therapeutically effective formulations for regeneration of specific tissues. Hence, here we (i) review chemical and physical design strategies for self-healing injectable hydrogels, (ii) provide a practical guide for their rheological analysis, and (iii) showcase their applicability for regeneration of various tissues and 3D printing of complex tissues and organoids.

I biomateriali con la capacità di autoripararsi e recuperare la propria integrità strutturale offrono numerosi vantaggi per le applicazioni in biomedicina. L'ultimo decennio ha visto la rapida affermazione di una nuova classe di biomateriali autoriparanti, comunemente definiti iniettabili o stampabili nel contesto della stampa 3D. Questi biomateriali iniettabili autoriparanti, per lo più idrogel e altri materiali condensati morbidi basati su una chimica reversibile, sono in grado di fluidificarsi temporaneamente sotto stress da taglio e successivamente recuperare le loro proprietà meccaniche originali. Gli idrogel iniettabili autoriparanti offrono notevoli vantaggi rispetto ai biomateriali tradizionali. In particolare, possono essere somministrati in modo localmente mirato e minimamente invasivo attraverso una siringa stretta, senza la necessità di un intervento chirurgico invasivo. La loro modellabilità consente un intervento specifico per il paziente e apre grandi prospettive per la medicina personalizzata. Gli idrogel iniettati possono facilitare la rigenerazione tissutale in molteplici modi grazie alla loro natura viscoelastica e diffusiva, che spaziano dal semplice supporto meccanico, al rilascio controllato spazio-temporalmente di cellule o farmaci, fino al reclutamento locale e alla modulazione delle cellule ospiti per promuovere la rigenerazione tissutale. Di conseguenza, gli idrogel iniettabili auto-riparanti sono stati all'avanguardia in molte strategie di rigenerazione tissutale all'avanguardia. Questo studio fornisce una revisione critica dello stato attuale degli idrogel iniettabili auto-riparanti per la rigenerazione tissutale. Come sfide chiave per l'ulteriore maturazione di questo entusiasmante campo di ricerca, identifichiamo (i) il compromesso tra l'auto-riparazione e l'iniettabilità degli idrogel rispetto alla loro stabilità fisica, (ii) la mancanza di consenso sulla caratterizzazione reologica e sui parametri quantitativi per gli idrogel iniettabili auto-riparanti, in particolare per quanto riguarda il flusso capillare nelle siringhe, e (iii) le limitazioni pratiche relative alla traduzione verso formulazioni terapeuticamente efficaci per la rigenerazione di tessuti specifici. Pertanto, qui (i) esaminiamo le strategie di progettazione chimica e fisica per idrogel iniettabili auto-riparanti, (ii) forniamo una guida pratica per la loro analisi reologica e (iii) mostriamo la loro applicabilità per la rigenerazione di vari tessuti e la stampa 3D di tessuti complessi e organoidi.