Den komplexa arkitekturen hos ben är utmanande att återskapa i labbet. Därför, framsteg inom benvävnadsteknik (BTE) syftar till att bygga patientspecifika transplantat som hjälper benreparation och utlöser specifika cellsignaleringsvägar. Materialforskare inom regenerativ medicin och BTE utvecklar successivt nya material för aktiv biologisk reparation på en plats för defekt efter implantation för att påskynda läkning genom benbiomimik.

Snabb initiering av ny benbildning vid implantationsplatsen är en mycket önskvärd egenskap vid BTE, och forskare är fokuserade på att tillverka transplantat som stärker gränssnittet mellan material och ben efter implantation. Bioaktivt glas kan binda till ben minuter efter ympning, och silkesfibroin, ett naturligt fibröst protein har potential att inducera benregenerering. Hybridmaterial som utnyttjar dessa egenskaper kan kombinera den osteogena potentialen och den bärande kapaciteten för potentiella applikationer i modeller med stora bendefekter.

I en nyligen genomförd studie, Swati Midha och medarbetare utvecklade en ny 3-D hybridkonstruktion med silkesbaserade bläck med olika bioaktiva glaskompositioner integrerade för att återskapa en benmimetisk mikromiljö som stöder osteogen differentiering av benmärgs mesenkymala stamcellslinjer (BMSC) i labbet. Nu publicerad i Biomedicinska material , IOP Science, forskarna använde direktskrivinstrument för att tillverka silkesfibroin-gelatin-bioaktiva glasställningar (SF-G-BG). Resultaten gav lämpliga signaler för att reglera utvecklingen av skräddarsydda 3-D mänskliga benkonstruktioner in vitro.

Författarna utforskade två bioaktiva glaskompositioner (med och utan strontium) ingrodda i silkesbaserade matriser. Arbetet undersökte (1) de mekaniska egenskaperna hos hybridkompositer för deras potential som bläck till 3D-skrivställningar, följt av (2) den osteogena potentialen hos sådana SF-G-BG-bläckbaserade 3D-tryckta matriser, och (3) de underliggande signalmekanismerna som är ansvariga för bendifferentiering på 3-D-utskrivna konstruktioner.

Bläcket skapades med hjälp av smälthärlett glas, och efter en serie optimeringar med olika koncentrationer, SF-G-BG-kompositer optimerade för tryckbarhet och cytokompatibilitet möjliggjordes. Efter utskrift, 3-D SF-G-BG-ställningarna inkuberades i 80 procent etanol för att inducera konformationsförändringar i det bildade sidenproteinet.

Materialens fysikalisk-kemiska egenskaper testades med FTIR och induktiv kopplad plasmamasspektrometri som användes för att övervaka jonfrisättningsprofilen för bioaktiva glas i silkesfibroin. Mesenkymala stamceller odlades på materialen för att förstå mekanismer för celldifferentiering.

Vanligtvis, osteogen differentiering på silkesbaserade matriser är associerad med Wnt/β-signalvägaktivering, medan bioaktivt glas aktiverar en annan uppsättning osteogena signalvägar. Därför, författarna undersökte om dessa mekanismer för celldifferentiering var oberoende av varandra eller om korsning mellan dem ledde till induktionen av en ny uppsättning gener för att reglera benbildningen på hybridkonstruktionerna.

Djupgående molekylära studier visade att SF-G-BG-konstruktioner innehållande Strontium (Sr) hade överlägsen osteogen differentiering genom att driva mesenkymala stamceller mot osteoblastiska och osteocytiska fenotyper inom 21 dagar efter cellodling. Därefter, författarna testade för uppreglering av sex gener av intresse för att undersöka osteoblastisk differentiering, inklusive uttrycket av Runt-relaterad transkriptionsfaktor (Runx2), en mastergen som utlöser uppkomsten av osteogent uttryck tidigt i celldifferentieringscykeln, att gradvis minska på dag 7 som observerats i studien.

Liknande, författarna testade för uppreglering av tre specifika gener uttryckta under osteocytisk differentiering. Följt av studier för att detektera jonfrisättning från bioaktivt glas i silke-gelatinbläckkonstruktioner som utlöser benmorfogenetiskt protein 2 BMP-2, benmorfogenetiskt protein 4 BMP-4 och IHH-cellsignalvägar från Indian hedgehog som är avgörande för att reglera benbildningen in vivo. Genontologitester bestämde också nätverket av associerade gener under osteogen differentiering av BMSC:er i 3-D-utskrivna SF-G-BG-konstruktioner.

De flesta celler upptäcktes för att överleva på kompositmaterialen, bekräftar att SF-G-BG-kompositionen stödde stamcellsviabilitet. Cellmaterialets ytor observerades med svepelektronmikroskopi (SEM) för att visualisera cellmorfologi och immunhistokemisk färgning för att visualisera osteogenes med specifika antikroppar. Genetiska studier indikerade att bioaktivt glas med Sr-ingrodd silkesfibroin ställningar synergistiskt uppreglerade BMSC-signalvägar för förbättrad differentiering och mognad, specifikt aktivera de viktigaste signalvägarna (BMP-2, BMP-4 och IHH) som är avgörande för att reglera benbildning in vivo. Resultaten stödjer ytterligare undersökningar i en preklinisk djurmodell innan patientspecifika 3-D SF-G-BG-bentransplantat konstrueras i labbet.

© 2018 Phys.org