I materiali bioispirati imitano le loro controparti naturali per funzionalità caratteristiche in applicazioni multidisciplinari che costituiscono un tema popolare nello sviluppo di biomateriali. Nell'ingegneria del tessuto osseo, ad esempio, i ricercatori si concentrano sull'architettura composita naturale dell'osso, organicamente progettato da strutture complesse di collagene mineralizzato. I costrutti bioingegnerizzati risultanti includono compositi inorganici/organici basati su componenti ossei di mammiferi nativi come apatite carbonata e collagene. Però, l'incorporazione di microparticelle nei costrutti del materiale può causare complicazioni durante la prematura riassorbabilità in vivo, a causa della loro natura fragile.

In un recente studio, ora pubblicato in Materiali biomedici, Scienza IOP , Christiane Heinemann e collaboratori del Max Bergmann Center of Biomaterials and Institute of Materials Science in Germania, nanosfere isolate ingegnerizzate utilizzando idrossiapatite organicamente modificata (ormoHAP) - per formare un'impalcatura composita allineata con il lavoro precedente dello stesso team di ricerca. Heinemann et al. ha progettato il nuovo biomateriale utilizzando un processo di doppia migrazione ionica assistito da campo elettrico e ha incorporato le nanosfere così formate, nel modello organico di gelatina espansa, per formare l'impalcatura composita.

Gli scienziati hanno testato i tassi di biodegradazione dei biomateriali per dimostrare che erano correlati al grado di reticolazione (40%, 80%) veicolata durante la preparazione del ponteggio e con il contenuto di minerali dei ponteggi (0%, 20%, 40%). Hanno usato un modello di co-coltura di cellule umane di osteoblasti e osteoclasti derivati ​​da cellule stromali e monociti del midollo osseo, per testare l'impatto degli scaffold di gelatina ormoHAP sulla crescita e differenziazione cellulare per un periodo di 42 giorni.

I risultati hanno confermato che l'ormoHAP incorporato nella matrice di gelatina ha potenziato la bioattività di TRAP5b (fosfatasi acida 5b resistente al tartrato); un gruppo di enzimi sintetizzati nelle ossa, seguito da un aumento dell'attività dell'ALP (fosfatasi alcalina, un marcatore di osteoblasti) e aumentata espressione genica di BSPII (sialoproteina II ossea - che codifica per una delle principali proteine ​​strutturali della matrice ossea) negli osteoblasti. Gli scienziati hanno proposto una sequenza di interazioni cellulari, a causa della presenza e concentrazione di ormoHAP nel materiale, per spiegare il comportamento osservato nelle co-colture cellulari in vitro.

I nanocristalli di idrossiapatite (HAP) si sono autoassemblati nell'ambiente organico per formare agglomerati sferici cavi negli esperimenti, che gli scienziati hanno prima caratterizzato in profondità a causa del loro ruolo nella formazione dei materiali sostitutivi ossei (BSM). Heinemann et al. ha scelto la gelatina come materiale della matrice dell'impalcatura sottostante a causa della sua compatibilità con il processo di formazione minerale assistito da campo elettrico delle nanosfere, mentre entrambi i costituenti del composito (HAP e gelatina) hanno mostrato citocompatibilità durante le interazioni cellula-materiale come mostrato in precedenti studi in vitro.

La gelatina è un costituente adatto per formare materiali bioispirati per l'ingegneria del tessuto osseo, in quanto prodotto di denaturazione del collagene, con abbondante disponibilità, processabilità, biodegradazione e bassa antigenicità; adatto allo sviluppo di nuovi biomateriali. Gli scienziati dei materiali hanno precedentemente sviluppato costrutti simili come gelatina/alginato, gelatina/chitosano, impalcature composite gelatina/βTCP o gelatina/HAP, dove i compositi mineralizzati hanno facilitato la proliferazione cellulare rispetto ai substrati monofasici. Gli esperimenti in vitro con co-colture di diversi tipi di cellule sono più adatti per testare i biomateriali in quanto rappresentano le condizioni naturali dell'interazione intercellulare per simulare la rigenerazione cellulare.

Per replicare più accuratamente le condizioni in vivo , Heinemann et al. co-colture precedentemente condotte senza integratori con osteoblasti e osteoclasti per testare i biomateriali durante la rigenerazione ossea assistita da materiale. Il lavoro ha indicato la necessità di una diafonia bilanciata tra osteoblasti che formano l'osso e osteoclasti che riassorbono l'osso tramite fattori solubili o contatto diretto cellula-cellula, per un efficace rimodellamento osseo.

Gli scienziati hanno quindi unificato i risultati di molti studi precedenti nel presente lavoro, per determinare la formazione di tessuto osseo come depositi di matrice extracellulare guidati dal biomateriale sottostante. Heinemann et al. cellule stromali del midollo osseo umano co-coltivate (hBMSC) con osteoblasti umani (hOB), e monociti umani (hMc) con osteoclasti umani (hOC), senza supplementi su scaffold in composito 3D (ormoHAP/Gelatin). Hanno quindi condotto caratterizzazioni (test) del materiale cellulare per studiare l'influenza delle nanosfere HAP organicamente modificate (ormoHAP) sul comportamento cellulare e sulle interazioni in laboratorio.

Gli scienziati hanno prima progettato una varietà di compositi con ormoHAP incorporato nella gelatina per creare più scaffold per esperimenti di coltura cellulare, seguito da test con immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) per comprendere la micro/nano-architettura del nuovo materiale. Hanno osservato modelli di superficie distinti sulla matrice di gelatina a causa della distribuzione omogenea di ormoHAP. Heinemann et al. ha prodotto una varietà di tali scaffold stabili su modelli organici di gelatina reticolata chimicamente e ha testato il loro comportamento di degradazione utilizzando un tampone (soluzione salina tamponata con fosfato, PBS) o fluidi corporei simulati (SBF) per imitare da vicino le condizioni biologiche in vivo in laboratorio.

Gli scienziati hanno determinato gli effetti della percentuale di reticolazione della gelatina e della concentrazione di ormoHAP sulla bioattività e sulla degradazione del nuovo materiale, con studi comparativi. Negli studi di degradazione con SBF o PBS, ponteggi con un grado di reticolazione inferiore si degradano molto più velocemente, rispetto a quelli con maggiore reticolazione. Entro il giorno 56, gli scienziati hanno osservato livelli più elevati di bioattività sugli scaffold con il 20% di ormoHAP; determinato quantificando i livelli di calcio legato alla superficie. Sebbene una concentrazione del 40% di ormoHAP abbia mostrato inizialmente risultati promettenti, i valori del calcio legato alla superficie sono diminuiti nel tempo.

Durante gli esperimenti di co-coltura Heinemann et al. quindi confrontato due diverse concentrazioni di ormoHAP (20 percento e 40 percento), accanto a impalcature fatte di pura gelatina. Gli scienziati hanno condotto strategicamente studi sulle colture cellulari dal giorno 14 al giorno 28 e fino al giorno 42, quindi utilizzando l'analisi del DNA hanno quantificato i nuclei cellulari e calcolato il tasso di proliferazione cellulare per valutare il numero totale di cellule sulle superfici del materiale, senza differenze significative osservate tra le superfici.

Hanno quantificato l'attività dell'ALP, valutare la differenziazione osteogenica in monocoltura e co-coltura, che diminuiva dopo 14 giorni all'aumentare della maturazione cellulare. Per studiare la differenziazione di hMc in hOB in co-coltura, gli scienziati hanno quantificato l'attività di TRAP5b, che è notevolmente aumentato con l'aumento del contenuto di ormoHAP nella composizione dello scaffold per la crescita cellulare assistita da materiale. Al giorno 42, tuttavia, i tassi di attività enzimatica sono diminuiti a causa della durata limitata della vita delle cellule osteoclastiche. Heinemann et al. successivamente ha condotto l'imaging di microscopia a scansione laser confocale (cLSM) per studiare le interazioni di co-coltura sullo scaffold.

Hanno osservato le co-colture cellulari che mostravano uno scheletro di actina verde, nuclei di cellule blu utilizzando produttori fluorescenti e utilizzato un marcatore dell'antigene di superficie dei globuli rossi (CD68) per rilevare i monociti (hMc). Utilizzando immagini microscopiche, gli scienziati hanno osservato una morfologia cellulare variabile dalla forma fusata a quella sferica, dettagliando come le cellule hanno interagito con il nuovo materiale sottostante. Hanno rilevato TRAP, come macchie di verde brillantemente colorate, sempre più concentrato all'interno delle cellule all'aumentare dei livelli di ormoHAP sulla superficie del materiale, per evidenziare l'effetto della crescita cellulare assistita da materiale. Heinemann et al. infine ha condotto un'analisi genica per determinare la sovraregolazione di marcatori specifici relativi alla differenziazione cellulare utilizzando la reazione a catena della polimerasi quantitativa in tempo reale (qRT-PCR).

In particolare hanno studiato BSPII (proteina codificante matrice ossea), RANKL (attivatore del recettore del ligando NF- κB) coinvolto nella modellazione/rimodellamento osseo e il produttore di osteoclasti OSCAR (recettore simile a Ig associato agli osteoclasti) che riassorbe l'osso - essenziale per l'omeostasi ossea. I risultati hanno indicato la sovraregolazione di BPSII e OSCAR, verificare la differenziazione cellulare assistita da materiale nel presente lavoro.

In questo modo, Heinemann et al. interazioni cellula-materiale ampiamente caratterizzate per comprendere il nuovo, materiali bioispirati ormoHAP durante la biofunzionalizzazione. Hanno mostrato l'influenza della nuova geometria dello scaffold sulle cellule che formano e riassorbono le ossa, e sulle interazioni intercellulari tra loro, utilizzando lo studio di co-coltura cellulare. I risultati consentiranno allo scienziato di ottenere condizioni di produzione ottimizzate per migliorare ulteriormente e sviluppare costrutti di materiali per l'ingegneria dei materiali bioispirati. L'aumento della concentrazione di ormoHAP negli scaffold ha stimolato il cross-talk cellulare tra osteoblasti e osteoclasti, come evidenziato da specifici marcatori di sovraregolazione genica, con implicazioni promettenti per ulteriori indagini sui nuovi materiali nell'ingegneria del tessuto osseo.

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