Bioplotting af knoglemimetiske 3D-vævsstilladser med osteogene effekter

I knoglevævsteknik (BTE), 3-D-print er en pålidelig og brugerdefinerbar metode, der bruges til at reparere knogledefekter ved at producere biomimetiske vævsstilladser. I en nylig undersøgelse offentliggjort på Vævsteknik, del A (Mary Ann Liebert, Inc.), Qing Li og et team af forskere konstruerede en biomimetisk erstatning tættest på den naturlige knoglestruktur og sammensætning til knogletransplantation. Til dette arbejde, de brugte to forskellige typer hydroxyapatit (HA) materialer:nanohydroxyapatit (nHA) og deproteiniseret bovint knogle (DBB) dispergeret i kollagen (CoL) til at fremstille en bio-blæk og konstruere kompositter af nHA/CoL og DBB/CoL som 3-D trykte stilladser.

Den æstetiske rekonstruktion af funktionel alveolær knogle er udfordrende efter knogletab på grund af traumer, betændelse og kirurgi. Materialeforskere kan kombinere vævsteknologi og biomaterialer for at fremme alveolær knogleregenerering; et stadig mere populært tema i regenerativ medicin. Det seneste årti har set betydelige fremskridt inden for 3-D-printteknologi til skræddersyet knogledefektreparation med vellykket klinisk oversættelse ved hjælp af metallaserprintere. Fordelene ved 3-D-print omfatter i vid udstrækning lav komplikationsrisiko, kort operationstid og god støbning under operationen. Materialernes biologisk nedbrydelige egenskaber kan styre knogleregenerering in situ. Blandt de tilgængelige teknikker, lav temperatur 3-D bioprinting (LT-3DP) er optimal til rekonstruktion af alveolar knogler, da det kan generere en specifik 3-D blueprint af patientens knogledefekter til rekonstruktion.

LT-3DP-systemet kan konstruere flere polymer-mineralkompositter med forbedrede materialeegenskaber. De resulterende 3-D porøse stilladser kan efterligne knoglearkitektur til ledende celle-matrix-interaktioner og tillade effektiv blodkarvækst for avanceret BTE. Polymermaterialet nHA valgt i undersøgelsen er en god kandidat til at erstatte naturlig knogle, på grund af dets høje osteokonduktive aktivitet. Den naturlige DBB er et alternativt xenogent knoglemateriale, morfologisk og strukturelt ligner den humane spongiöse knogle. I denne undersøgelse, Li et al. med succes replikeret en tidligere etableret protokol til DBB-forberedelse. Type I kollagen (CoL-1) er det mest udbredte strukturelle protein i den menneskelige krop og var derfor bedst egnet til at generere sammensatte polymerer i den foreslåede eksperimentelle opsætning til konstruktioner med forbedrede biomekaniske egenskaber.

Li et al. udarbejdet og kategoriseret bioblæk til tre grupper som CoL, nHA/CoL og DBB/CoL i undersøgelsen. For at konstruere de sammensatte stilladser, forskerne brugte 3-D bioplotteren (EnvisionTEC, Tyskland). Efter udskrivning af 3D-stilladset, de konstruerede en gitterlignende mikroarkitektur med porebredder på 600 µm. Den indre bikage-mikrostruktur repræsenterede typiske karakteristika for spongøs knogle. Materialeforskerne testede først de fysiske og kemiske egenskaber af de to materialekompositstilladser (nHA/CoL og DBB/CoL), efterfulgt af deres biokompatibilitet og osteogene indvirkning på knoglemarvsstamcelle (human BMSC) differentiering under celle-materiale interaktioner.

Forskerne brugte standardmetoder til materialekarakterisering, såsom røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), Røntgenpulverdiffraktion (XRD) og Fourier Transform Infrarød spektroskopi (FTIR) for at forstå sammenhængen mellem de to kompositter, samt deres mangfoldighed i forhold til kemiske bindinger og krystalfaser. De brugte scanning elektronmikroskopi (SEM) til at opnå billeddannelsesresultater, som viste forskellige overflademorfologier af HA -krystaller og stilladser som faktorer, der påvirker produktets indre porøse struktur. Specifikt, Youngs modul for nHA/CoL-gruppen (7,9 ± 0,3 MPa) var højere end både CoL-gruppen (3,5 ± 0,4 MPa) og DBB/CoL-gruppen (4,5 ± 0,7 MPa), hvilket indikerer højere stivhed af nHA/CoL-kompositstilladserne.

Til biofunktionaliseringsundersøgelser, Li et al. viste, at de to sammensatte stilladser ligeligt understøttede celleproliferation via immunfluorescensfarvning. For det, de brugte fluorescensmærkede antistoffer til at farve og mikroskopisk identificere hBMSCs vækst på 3-D printede overfladestrukturer. Under cellekultur, forskerne brugte et osteogent induktionsmedium (OM) og et proliferationsmedium (PM). Den alkaliske phosphatase (ALP) farvningsmetode, der bruges til at bestemme stamcelledifferentiering, indikerede ekspressionen af ​​ALP i OM-gruppen, men ikke i PM-gruppen.

Forskerne udførte polymerasekædereaktion i realtid (RT-PCR) efter at have ekstraheret totalt RNA fra stamcellerne (hBMSC'er). Resultaterne viste ekspressionsniveauerne af de osteogenese-relaterede gener af interesse, der blev undersøgt i undersøgelsen. I sammenligning med PM-grupperne, generne relateret til tidlig og sen osteogen differentiering; Runt-relateret transkriptionsfaktor RUNX2 , SRY-relateret HMG-boksgen 9 SOX9 , osteocalcin OCN og CoL1A1 i OM-gruppen steg signifikant efter 7 dage. På denne måde forskerne demonstrerede osteogenese og øgede effekter af ekstracellulær matrixdannelse for hBMSC'er dyrket på de bioplottede 3-D stilladser for at bekræfte overfladebiokompatibilitet.

Li et al. viste, at de fysisk-kemiske og biologiske egenskaber af de 3-D bioprintede stilladser indeholdende nHA/CoL eller DBB/CoL var velegnede som knogleerstatningsmaterialer (BSM) i knoglevævsteknologi (BTE). Evnen til nemt at udskrive 3-D-tilpasbare stilladser kan have potentiale for translationel forskning fra bænken til prækliniske undersøgelser og til klinikken i fremtiden.

© 2019 Science X Network