Nell'ingegneria del tessuto osseo (BTE), La stampa 3D è un metodo affidabile e personalizzabile utilizzato per riparare i difetti ossei producendo scaffold di tessuto biomimetico. In un recente studio pubblicato online su Ingegneria dei tessuti parte A (Mary Ann Liebert, Inc.), Qing Li e un team di scienziati hanno progettato un sostituto biomimetico più vicino alla struttura e alla composizione ossea naturali per l'innesto osseo. Per questo lavoro, hanno utilizzato due diversi tipi di materiali idrossiapatite (HA):nanoidrossiapatite (nHA) e osso bovino deproteinizzato (DBB) disperso in collagene (CoL) per preparare un bio-inchiostro e ingegnerizzare compositi di nHA/CoL e DBB/CoL come 3-D ponteggi stampati.

La ricostruzione estetica dell'osso alveolare funzionale è impegnativa dopo la perdita ossea dovuta a traumi, infiammazione e chirurgia. Gli scienziati dei materiali possono combinare ingegneria dei tessuti e biomateriali per promuovere la rigenerazione dell'osso alveolare; un tema sempre più popolare nella medicina rigenerativa. L'ultimo decennio ha visto progressi significativi nella tecnologia di stampa 3D per la riparazione personalizzata dei difetti ossei con una traduzione clinica di successo utilizzando stampanti laser in metallo. I meriti della stampa 3D includono in gran parte il basso rischio di complicanze, breve tempo operativo e buona modellatura durante l'intervento chirurgico. Le proprietà biodegradabili dei materiali possono guidare la rigenerazione ossea in situ. Tra le tecniche disponibili, la biostampa 3D a bassa temperatura (LT-3DP) è ottimale per la ricostruzione dell'osso alveolare, in quanto può generare uno specifico progetto 3D dei difetti ossei del paziente per la ricostruzione.

Il sistema LT-3DP può progettare più compositi polimero-minerali con proprietà del materiale migliorate. Gli scaffold porosi 3D risultanti possono imitare l'architettura ossea per le interazioni conduttive cellula-matrice e consentire una crescita efficiente dei vasi sanguigni per BTE avanzato. Il materiale polimerico nHA selezionato nello studio è un buon candidato per sostituire l'osso naturale, grazie alla sua elevata attività osteoconduttiva. Il DBB naturale è un materiale osseo xenogeno alternativo, morfologicamente e strutturalmente simile all'osso spongioso umano. In questo studio, Li et al. replicato con successo un protocollo precedentemente stabilito per la preparazione DBB. Il collagene di tipo I (CoL-1) è la proteina strutturale più abbondante nel corpo umano ed era quindi più adatta a generare polimeri compositi nella configurazione sperimentale proposta per costrutti con proprietà biomeccaniche migliorate.

Li et al. preparato e classificato i bio-inchiostri in tre gruppi come CoL, nHA/CoL e DBB/CoL nello studio. Per progettare i ponteggi compositi, gli scienziati hanno utilizzato il bioplotter 3-D (EnvisionTEC, Germania). Dopo aver stampato lo scaffold 3D, hanno costruito una microarchitettura a griglia con una larghezza dei pori di 600 µm. La microstruttura interna a nido d'ape rappresentava le caratteristiche tipiche dell'osso spugnoso. Gli scienziati dei materiali hanno prima testato le proprietà fisiche e chimiche dei due scaffold compositi di materiale (nHA/CoL e DBB/CoL), seguiti dalla loro biocompatibilità e dall'impatto osteogenico sulla differenziazione delle cellule staminali del midollo osseo (BMSC umane) durante le interazioni cellula-materiale.

Gli scienziati hanno utilizzato metodi standard di caratterizzazione dei materiali come la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), Diffrazione di raggi X su polvere (XRD) e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) per comprendere la consistenza dei due compositi, così come la loro diversità relativa ai legami chimici e alle fasi cristalline. Hanno usato la microscopia elettronica a scansione (SEM) per ottenere risultati di imaging, che hanno mostrato diverse morfologie superficiali dei cristalli e degli scaffold di HA come fattori che influenzano la struttura porosa interna del prodotto. Nello specifico, il modulo di Young del gruppo nHA/CoL (7,9 ± 0,3 MPa) era superiore sia al gruppo CoL (3,5 ± 0,4 MPa) che al gruppo DBB/CoL (4,5 ± 0,7 MPa), indicando una maggiore rigidità degli scaffold compositi nHA/CoL.

Per gli studi di biofunzionalizzazione, Li et al. hanno mostrato che i due scaffold compositi supportano ugualmente la proliferazione cellulare tramite la colorazione dell'immunofluorescenza. Per questo, hanno usato anticorpi marcati in modo fluorescente per colorare e identificare microscopicamente la crescita di hBMSC su strutture superficiali stampate in 3D. Durante la coltura cellulare, gli scienziati hanno utilizzato un mezzo di induzione osteogenica (OM) e un mezzo di proliferazione (PM). Il metodo di colorazione con fosfatasi alcalina (ALP) utilizzato per determinare la differenziazione delle cellule staminali, ha indicato l'espressione di ALP nel gruppo OM, ma non nel gruppo PM.

Gli scienziati hanno condotto la reazione a catena della polimerasi in tempo reale (RT-PCR) dopo aver estratto l'RNA totale dalle cellule staminali (hBMSC). I risultati hanno mostrato i livelli di espressione dei geni correlati all'osteogenesi di interesse esaminati nello studio. Rispetto ai gruppi PM, i geni legati al differenziamento osteogenico precoce e tardivo; Fattore di trascrizione correlato a runt RUNX2 , Gene box HMG correlato a SRY 9 SOX9 , osteocalcina OCN e CoL1A1 nel gruppo OM è aumentato significativamente dopo 7 giorni. In questo modo, i ricercatori hanno dimostrato l'osteogenesi e l'aumento degli effetti della formazione della matrice extracellulare per le hBMSC coltivate sugli scaffold 3D biotracciati per confermare la biocompatibilità della superficie.

Li et al. hanno mostrato che le proprietà fisico-chimiche e biologiche degli scaffold biostampati 3D contenenti nHA/CoL o DBB/CoL erano adatte come materiali sostitutivi ossei (BSM) nell'ingegneria del tessuto osseo (BTE). La capacità di stampare facilmente scaffold personalizzabili 3D può avere un potenziale per la ricerca traslazionale dal banco agli studi preclinici e alla clinica in futuro.

© 2019 Scienza X Rete