Plasma-ioniseringsbaserede 3-D titania nanofiberlignende baner til forbedring af biomaterialers bioreaktivitet og osteokonduktivitet

I en ny undersøgelse offentliggjort den Videnskabelige rapporter , Mohammad-Hossein Beigi og et forskerhold i afdelingerne Engineering and Applied Science og Cellular Biotechnology i Canada og Iran beskrev en ny metode til dannelse af biokompatible biomaterialer til knoglevævsteknik. De konstruerede web-lignende, tredimensionelle (3-D) Titania nanofibre belægninger ved hjælp af højintensitets laserinduceret omvendt overførsel (HILIRT). Holdet demonstrerede først mekanismen for ablation og Titanium (Ti) aflejring på glassubstrater ved hjælp af flere picosekund laserpulser i omgivende luft for at sammenligne teoretiske forudsigelser med eksperimentelle resultater. De undersøgte ydeevnen af ​​glasprøver udviklet ved at belægge titania nanofibre strukturer gennem forskellige laserpulsvarigheder, ved hjælp af metoder såsom scanning elektronmikroskopi (SEM).

For at forstå interaktioner mellem den nye materialoverflade og biologiske celler, Beigi et al. udforsket interaktioner mellem humane knogle-afledte mesenkymale stamceller (BMSC'er) dyrket på de nye biomaterialer. For det, de brugte en række forskellige tests i laboratoriet, herunder en kolorimetrisk metode til at forstå cellemetabolsk aktivitet (MTS-assay), immunocytokemi, proteinadsorptions- og absorptionsanalyser. Resultaterne viste signifikant forbedret biokompatibilitet i laserbehandlede prøver sammenlignet med ubehandlede substrater. Beigi et al. ændret deres HILIRT -teknik ved at reducere pulsvarigheden og generere titania nanofibre med tættere strukturer under avanceret materialeteknik. Ifølge deres resultater, tætheden af ​​nanostrukturer og koncentrationen af ​​overtrukne nanofibre spillede en kritisk rolle for at generere bioaktivitet i de behandlede prøver ved at inducere tidlig differentiering af BMSC'er (knogle-afledte mesenkymale stamceller) til dannelse af knoglevæv via osteogen differentiering (knogledannelse).

Bioingeniører udvikler hurtigt nye teknikker til knoglevævsteknik (BTE) til knogleregenerering; at forbedre de eksisterende "guldstandarder" for knogleautograft og allograftmetoder inden for regenerativ medicin. Ulemper ved de eksisterende teknikker omfatter morbiditet på donorstedet og begrænsede kosttilskud under knogleregenerering. Knoglevævsteknik (BTE) er en lovende forskningsretning for at lette knoglevækst og reparation, selv ved store skeletskader. Forskere sigter mod at bruge stamceller med BTE på grund af deres selvfornyende evner sammen med stamcelledifferentiering, at danne en række forskellige vævstyper. Da en fysisk overflades fysiske og kemiske egenskaber kan påvirke levedygtigheden af ​​humane mesenkymale stamceller (hMSC'er) til selvrestaurering, differentiering og spredning. Materialer og celler kan derfor arbejde sammen i applikationer af BTE for at tilvejebringe en ønsket platform for osseointegration under knoglemodellering.

Forskningsteams havde tidligere brugt flere teknikker til at producere overflader af BTE-materiale, herunder sol-gel, hydrotermisk 106, elektrospinning og 3D-udskrivning; imidlertid, at vælge en ideel metode er stadig en udfordring. For eksempel, kunstige biomaterialer skal ubesværet interagere med fysiologiske væsker og assimilere med hårde og bløde omgivende væv for at opretholde cellulær aktivitet for overlegen biokompatibilitet. Materialeforskere og bioingeniører havde brugt titanium og dets legeringer til ortopædiske implantater, muliggør titan-nanopartikel (NP) -baseret osteogenese af stamceller fra tandpulp og fedtafledte stamceller. Laseroverflademodifikationsmetoder kan ændre materialoverflader for forbedret overfladebiokompatibilitet; hvor HILIRT-metoden tidligere havde vist potentiale til at konstruere lab-on-a-chip komponenter og andre biokompatible biomaterialer. Forskere kan ændre laserparametre for at manipulere materialeflader for at hjælpe celledifferentiering.

I det nuværende arbejde, Beigi et al. undersøgte virkningerne af laserpulsvarighed på materialeoverflader ved hjælp af HILIRT -metoden og testede den biologiske adfærd af syntetiske biomaterialer ved hjælp af materialekarakterisering og biologiske test i laboratoriet. De undersøgte kontakt mellem celle-materiale på materialeoverflader ved hjælp af genekspression, undersøgelser af mineralisering og proteininteraktion. Forskerne udviklede en nanofibert titania (NFTi) tynd film og gennemblødt den i simuleret kropsvæske (SBF) for at danne hydroxyapatit (HA) -lignende lagstrukturer og identificerede materialets overflademodifikationer ved hjælp af vandkontaktvinkel (CA), scannende elektronmikroskopi (SEM), energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) analyse, mikro-Raman og røntgendiffraktion (XRD) spektroskopier.

They deposited NFTi (nanofibrous titania) structures at different pulse durations to form laser nanofiber coated smooth surfaces and tested the chemical and physical composition of the resulting advanced materials. When they decreased pulse duration, the titanium weight percentage increased, and the scientists observed the temperature of the irradiated zone to be significantly higher for a shorter pulse duration of 150 picoseconds (ps) compared with 5 nanoseconds (ns) and 30 ns. The decreased pulse duration transmitted power to the target in a shorter time, causing the heat affected zone (HAZ) to have a higher temperature, allowing a denser plasma plume to form more NFTi structures on a glass substrate. Decreasing the laser pulse duration created more biocompatible Ti nanofibers with a higher content of HA(hydroxyapatite)-like substance sedimentation on the samples.

Using phase-contrast microscopy images of fibroblast-like BMSCs on titania-coated glass surfaces, Beigi et al. observed normal cell morphology. They measured water contact angles of droplets of water on the material specimens and conducted cytotoxicity tests with MTS assays on stem cells grown on NFTi coatings. The materials coated with NFTi for 150 ps showed the highest absorbance rate (known as the S1 group) with subsequently high rates of cell viability, cell adhesion and metabolic activity. When the researchers used immunofluorescent staining to observe cell migration, the S1 sample (with NFTi coating for 150 ps) showed higher rates of cell migration. To confirm stem cell (BMSC) differentiation, the scientists investigated osteogenic-related gene expression with RUNX2, collagen I, osteopontin and osteonectin genes, using quantitative qRT-PCR. Blandt prøverne, S1 samples indicated significantly higher relative expression for all osteogenic-related genes.

To confirm mineralization, the scientists used alizarin red followed by soluble Ca nodules color absorbance quantification, to observe high levels of mineralization on all samples on days seven and 14. The team investigated surface protein absorption potential, protein-ion biocomplex formation and biocomplex cell uptake to demonstrate highest levels of protein-ion biocomplex formation on the S1 samples.

På denne måde, Mohammad-Hossein Beigi and colleagues used the HILIRT method to achieve high surface bioreactivity, osteogenesis and osseointregration of NFTi-BMSCs. The surface character of the new materials allowed protein and biomolecule interactions to stimulate cell adhesion, mineralization and osteogenesis for faster and more suited osseointegration in vivo and in vitro. The scientists engineered nanofiber mesh-like scaffolds using titanate to allow vascularization, protein attachment, cell proliferation and cell attachment on the substrate. Such microporous surfaces can promote nutrition diffusion, vascularization and blood flow due to improved biomechanical strength. Ud over, the hydrophilic surface property; verified using water contact angle measurements, facilitated cell-ECM adhesion to improve cell binding and vigorous tissue growth.

The S1 sample (NFTi, 150 ps) developed in this work generated the best surface bioreactivity for bone regeneration or bone replacement. Beigi et al. showed the advantages of using titania as an orthopedic implant material and the surface modification strategies implemented in the study improved surface bioreactivity and osteogenesis for assisted bone tissue development. The cost-effective frugal method can provide a metallic nanofiber structure surface to be coated on multiple surfaces for varied biomedical applications. The proposed technique (combining materials engineering with stem cells) will open new doors to engineer advanced biomaterials with enhanced surface bioreactivity for improved biocompatibility in vitro and in vivo. The findings demonstrate beneficial effects of an experimental scaffold in the lab with potential for medical osseointegration as a BTE implant.

© 2019 Science X Network