Materiali come il poli(ε-caprolattone) sono usati come impalcature nell'ingegneria del tessuto osseo, ma la loro intrinseca idrofobicità e levigatezza superficiale possono compromettere l'attaccamento cellulare, proliferazione e differenziazione in laboratorio, o dopo l'impianto in vivo. Le modifiche superficiali, comprese le alterazioni chimiche o l'immobilizzazione di molecole biologicamente attive sui materiali, possono superare l'idrofobicità intrinseca del poli(ε-caprolattone) (PCL). In un recente studio, i bioingegneri Yasaman Zamani e i suoi colleghi hanno studiato una sostanza chimicamente modificata, Superficie del materiale PCL stampata in 3D immobilizzata con peptide RGD (R:arginina, G:glicina, D:acido aspartico). I risultati dello studio sono pubblicati su Materiali biomedici , Pubblicazione dell'IOP.

Difetti ossei di grandi dimensioni causati da traumi o resezioni tumorali spesso non possono guarire attraverso il naturale processo di rigenerazione ossea. Il gold standard esistente per il trattamento clinico di tali difetti è il trapianto osseo autologo; dove il tessuto osseo prelevato dallo stesso paziente in un sito chirurgico diverso viene impiantato nel sito della lesione o del difetto. La tecnica dell'autoinnesto è svantaggiata a causa della disponibilità limitata, la necessità di più interventi chirurgici, immunocompromissione legata all'età del paziente e tempi di guarigione prolungati. Di conseguenza, l'ingegneria del tessuto osseo (BTE) sta rapidamente diventando un'alternativa promettente che elimina la necessità di ulteriori interventi chirurgici. In base alla progettazione, BTE crea un'impalcatura per sostituire temporaneamente la matrice extracellulare che circonda il sito del difetto per assistere la rigenerazione dei tessuti e la riparazione ossea per una linea temporale specifica. Le tecniche di prima generazione di BTE non possono controllare la porosità, microarchitettura e geometria degli scaffold. La stampa tridimensionale (3D) è comunemente usata attualmente per progettare scaffold per l'ingegneria tissutale con forma e architettura controllate.

Il polimero più utilizzato per la stampa 3D di scaffold ossei è il PCL, grazie alla sua bassa temperatura di fusione e transizione vetrosa per una facile lavorazione. I polimeri hanno un eccellente carattere meccanico adatto per scaffold di sostituzione ossea e sono approvati dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti. Però, per applicazioni di semina cellulare in BTE, I polimeri PCL stampati in 3D richiedono la modifica della superficie poiché l'idrofobicità intrinseca e la mancanza di siti di riconoscimento biologico legati alla superficie limitano la biocompatibilità della superficie. Una gamma di tecniche esistenti di modifica della superficie BTE viene quindi implementata come fisica, metodi chimici e biologici. Ad esempio, l'idrolisi del PCL da parte dell'idrossido di sodio (NaOH) è una tecnica chimica che può aumentare l'idrofilia (natura che ama l'acqua) del PCL creando gruppi carbossilici e idrossilici di superficie per un maggiore attaccamento cellulare.

L'immobilizzazione del peptide RGD sulle superfici del PCL potrebbe anche aiutare le cellule ad attaccarsi e crescere su superfici modificate. In questo caso, l'attaccamento al materiale cellulare è stato attribuito alle integrine; un gruppo di proteine ​​della superficie cellulare che mediano il legame cellulare a specifiche molecole di adesione e quindi riconoscono la sequenza RGD su una superficie del substrato. Mentre gli effetti della modifica della superficie sulle proprietà dei biomateriali e sulle risposte cellulari sono stati ampiamente studiati, i risultati non sono applicabili a tutti i tipi di ponteggi. Più importante, Restano ancora da condurre esperimenti per capire quale di queste modifiche superficiali sia più efficace per la proliferazione cellulare pre-osteoblasta e l'attività osteogenica su uno scaffold stampato in 3D. Zamani et al. hanno quindi studiato le superfici dell'impalcatura PCL stampate in 3D modificate dal trattamento alcalino con NaOH o dall'immobilizzazione RGD per comprendere la risposta cellulare sul costrutto materiale.

Nello studio, i ricercatori hanno condotto esperimenti di biofunzionalizzazione con pre-osteoblasti calvariae murini (MC3T3-E1) per valutare la risposta osteogenica su superfici 3D modificate per BTE. La modifica chimica della superficie è stata ottenuta utilizzando il trattamento con NaOH per 24 ore o 72 ore (concentrazione 3M), che ha cambiato la topografia della superficie da una superficie liscia a una struttura a nido d'ape. Per l'immobilizzazione RGD, le superfici sono state incubate con 600 µl di RGD (0,125 mg/ml). In breve, durante un periodo di 1-14 giorni di coltura cellulare, è stata osservata una maggiore deposizione di matrice collagena sugli scaffold trattati con NaOH e immobilizzati con RGD rispetto ai controlli non modificati. Le superfici chimicamente modificate hanno mostrato un aumento dell'attività della fosfatasi alcalina, cruciale per lo sviluppo osseo. I ricercatori hanno notato che le superfici trattate con NaOH per una mineralizzazione ottimale 24 ore migliorata rispetto ai controlli non modificati.

I ricercatori hanno utilizzato un 3-D Discovery ^TM bioprinter per stampare gli scaffold. Il materiale PCL di grado medico è stato fuso nel serbatoio di riscaldamento ed esteso attraverso un ago preriscaldato, i filamenti di PCL sono stati tracciati strato per strato per creare 36 scaffold cubici. I diversi scaffold PCL con e senza modifiche superficiali sono stati caratterizzati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). La coltura cellulare è stata condotta con pre-osteoblasti MC3T3-E1 sui diversi materiali di interesse per osservare e quantificare i parametri di proliferazione cellulare, differenziazione, deposizione di matrice di collagene, attività della fosfatasi alcalina e deposizione di calcio da 1-14 giorni. Sia le superfici trattate con NaOH 24 ore che quelle 72 ore hanno mostrato una topografia superficiale a nido d'ape, ma l'immobilizzazione RGD non ha modificato in modo simile la topografia superficiale. I pre-osteoblasti coltivati ​​erano leggermente sferici sugli scaffold PCL non modificati, indicando idrofobicità superficiale, in confronto le cellule erano ben distribuite sugli scaffold trattati con NaOH 24 ore e immobilizzati con RGD a causa dell'idrofilia superficiale e del riconoscimento della superficie cellulare.

La deposizione di collagene sulle superfici modificate/non modificate coltivate con cellule è stata osservata con colorazione rosso picrosirius mediante microscopia ottica al giorno 14. L'intensità quantificata del rosso era maggiore per gli scaffold trattati con NaOH 24 ore e immobilizzati con RGD rispetto ai controlli. Inoltre, rispetto agli scaffold NaOH, le superfici modificate con RGD hanno mostrato una deposizione di collagene significativamente maggiore. La deposizione di calcio è stata osservata con costrutti di scaffold colorati con rosso di alizarina utilizzando immagini ottiche. È stata osservata una maggiore macchia rossa sugli scaffold trattati con NaOH per indicare una deposizione di calcio relativamente maggiore. Allo stesso modo, L'attività dell'ALP era comparativamente più alta sugli scaffold trattati con NaOH 24 ore. interessante, Il trattamento con NaOH per 72 ore non ha aumentato l'attività dell'ALP rispetto ai controlli non modificati.

Sulla base dei primi risultati, i parametri di modifica della superficie sono stati perfezionati nello studio per includere l'immobilizzazione RGD ottimale (impalcatura di 0,011 µg/mL) e il trattamento NaOH di 24 ore per ingegnerizzare chimicamente gli scaffold PCL stampati in 3D. Lo studio ha mostrato collettivamente una migliore differenziazione osteogenica su scaffold trattati con NaOH 24 ore rispetto agli scaffold immobilizzati con RGD in vitro. I risultati hanno suggerito che il trattamento chimico degli scaffold 3-D PCL utilizzando 3M NaOH può essere più promettente per gli studi di rigenerazione ossea in vivo rispetto all'immobilizzazione RGD, perciò. La modifica della superficie dovuta all'introduzione di gruppi idrossilici e carbossilici funzionali tramite il trattamento con NaOH ha aumentato l'idrofilia e la biocompatibilità. D'altra parte, l'immobilizzazione di RGD su PCL ha facilitato l'adesione e la proliferazione cellulare a causa dei siti di riconoscimento cellulare, indicando che entrambe le condizioni erano inizialmente favorevoli per l'adesione e la proliferazione pre-osteoblasti in vitro.

Un'immersione più lunga durante il trattamento con NaOH (72 ore) non è stata favorevole in quanto l'aumento della degradazione della superficie ha portato a una maggiore rugosità su microscala che impedisce adeguate interazioni cellula-cellula e/o cellula-matrice. I risultati hanno indicato che il tempo necessario per raggiungere la topologia superficiale ottimale (rugosità e rigidità della superficie in questo caso) per dirigere la differenziazione osteogenica era di 24 ore di trattamento con NaOH. La citocompatibilità è stata reiterata con l'attività dell'ALP e gli studi sulla deposizione di calcio per mostrare una migliore differenziazione osteogenica su scaffold trattati con NaOH 24 ore rispetto ad altri gruppi, indicando la loro idoneità per ulteriori studi sulla formazione ossea con cellule osteogeniche.

In questo modo, attraverso ampi esperimenti, Zamani et al hanno mostrato che i costrutti 3-D trattati con NaOH 24 ore aumentavano la proliferazione pre-osteoblasta e la deposizione di matrice insieme a una maggiore attività osteogenica nella BTE. Lo studio ha dimostrato il potenziale della modifica ottimizzata della superficie del materiale per promuovere la formazione ossea in laboratorio facilitando la crescita e la differenziazione delle cellule osteogeniche.

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