Avancerede biomaterialer med silkefibroin-bioaktivt glas til at konstruere patientspecifikke 3D-knogletransplantater

Den komplekse arkitektur af knogler er udfordrende at genskabe i laboratoriet. Derfor, fremskridt inden for knoglevævsteknik (BTE) sigter mod at bygge patientspecifikke transplantater, der hjælper knoglereparation og udløser specifikke cellesignalveje. Materialeforskere inden for regenerativ medicin og BTE udvikler gradvist nye materialer til aktiv biologisk reparation på et defektsted efter implantation for at accelerere helingen gennem knoglebiomimik.

Hurtig initiering af ny knogledannelse på implantationsstedet er et yderst ønskeligt træk ved BTE, og forskere er fokuseret på at fremstille transplantater, der styrker materiale-knoglegrænsefladen efter implantation. Bioaktivt glas kan binde sig til knogler minutter efter podning, og silkefibroin, et naturligt fibrøst protein har potentiale til at inducere knogleregenerering. Hybride materialer, der udnytter disse egenskaber, kan kombinere det osteogene potentiale og den belastningsbærende kapacitet til potentielle anvendelser i modeller med stor belastning af knogledefekter.

I en nylig undersøgelse, Swati Midha og kolleger udviklede en ny 3-D hybridkonstruktion ved hjælp af silkebaseret blæk med forskellige bioaktive glassammensætninger integreret for at genskabe et knoglemimetisk mikromiljø, der understøtter osteogen differentiering af knoglemarvs mesenkymale stamcellelinjer (BMSC) i laboratoriet. Nu udgivet i Biomedicinske materialer , IOP Videnskab, videnskabsmændene brugte direkte skriveredskaber til at fremstille silkefibroin-gelatine-bioaktive glasstilladser (SF-G-BG). Resultaterne leverede passende signaler til at regulere udviklingen af ​​tilpassede 3-D menneskelige knoglekonstruktioner in vitro.

Forfatterne udforskede to bioaktive glassammensætninger (med og uden strontium) indgroet i silkebaserede matricer. Arbejdet undersøgte (1) de mekaniske egenskaber af hybridkompositter for deres potentiale som blæk til 3-D print stilladser, efterfulgt af (2) det osteogene potentiale af sådanne SF-G-BG blæk-baserede 3-D printede matricer, og (3) de underliggende signalmekanismer, der er ansvarlige for knogledifferentiering på 3-D printede konstruktioner.

Blækket blev skabt ved hjælp af smelteafledt glas, og efter en række optimeringer med forskellige koncentrationer, SF-G-BG-kompositter optimeret til printbarhed og cytokompatibilitet blev muliggjort. Efter udskrivning, 3-D SF-G-BG stilladserne blev inkuberet i 80 procent ethanol for at inducere konformationelle ændringer i det konstituerende silkeprotein.

Materialernes fysisk-kemiske egenskaber blev testet med FTIR og induktiv koblet plasmamassespektrometri brugt til at overvåge ionfrigivelsesprofilen af ​​bioaktive glas i silkefibroin. Mesenkymale stamceller blev dyrket på materialerne for at forstå mekanismer for cellulær differentiering.

Typisk, osteogen differentiering på silkebaserede matricer er forbundet med Wnt/β-signalvejsaktivering, hvorimod bioaktivt glas aktiverer et andet sæt osteogene signalveje. Derfor, forfatterne undersøgte, om disse mekanismer for cellulær differentiering var uafhængige af hinanden, eller om krydstale mellem dem førte til induktionen af ​​et nyt sæt gener til at regulere knogledannelsen på hybridkonstruktionerne.

Dybdegående molekylære undersøgelser viste, at SF-G-BG-konstruktioner indeholdende Strontium (Sr) havde overlegen osteogen differentiering ved at drive mesenkymale stamceller mod osteoblastiske og osteocytiske fænotyper inden for 21 dage efter cellekultur. Derefter, forfatterne testede for opregulering af seks gener af interesse for at undersøge osteoblastisk differentiering, inklusive ekspression af Runt-relateret transkriptionsfaktor (Runx2), et mastergen, der udløser begyndelsen af ​​osteogen ekspression tidligt i celledifferentieringscyklussen, gradvist at falde på dag 7 som observeret i undersøgelsen.

Tilsvarende forfatterne testede for opregulering af tre specifikke gener udtrykt under osteocytisk differentiering. Efterfulgt af undersøgelser for at påvise ionisk frigivelse fra bioaktivt glas i silke-gelatineblækkonstruktioner, der udløser knoglemorfogenetisk protein 2 BMP-2, knoglemorfogenetisk protein 4 BMP-4 og Indian hedgehog IHH celle signalveje, der er kritiske for at regulere knogledannelsen in vivo. Genontologitests bestemte også netværket af associerede gener under osteogen differentiering af BMSC'er i 3-D-printede SF-G-BG-konstruktioner.

De fleste celler blev opdaget for at overleve på kompositmaterialerne, bekræfter, at SF-G-BG-sammensætning understøttede stamcellelevedygtighed. Cellematerialets overflader blev observeret med scanning elektronmikroskopi (SEM) for at visualisere cellemorfologi og immunhistokemisk farvning for at visualisere osteogenese med specifikke antistoffer. Genetiske undersøgelser indikerede, at bioaktivt glas med Sr-indgroet silkefibroin-stilladser synergistisk opregulerede BMSC-signalveje for øget differentiering og modning, specifikt at aktivere de vigtigste signalveje (BMP-2, BMP-4 og IHH) afgørende for regulering af knogledannelse in vivo. Resultaterne understøtter yderligere undersøgelser i en præklinisk dyremodel forud for konstruktion af patientspecifikke 3-D SF-G-BG knogletransplantater i laboratoriet.

© 2018 Phys.org