Material som poly (ε-kaprolakton) används som byggnadsställningar inom benvävnadsteknik, men deras inneboende hydrofobicitet och ytjämnhet kan försämra cellbindning, spridning och differentiering i labbet, eller efter implantation in vivo. Ytmodifieringar inklusive kemiska förändringar eller immobilisering av biologiskt aktiva molekyler på material kan övervinna den inneboende hydrofobiciteten hos poly (e-kaprolakton) (PCL). I en färsk studie, bioingenjörer Yasaman Zamani och hennes kollegor undersökte en kemiskt modifierad, 3D-tryckt PCL-materialyta immobiliserad med RGD-peptid (R:arginin, G:glycin, D:asparaginsyra). Resultaten av studien publiceras den Biomedicinska material , IOP Publishing.

Stora bendefekter orsakade av trauma eller tumörresektion kan ofta inte läka via den naturliga processen med benregenerering. Den befintliga guldstandarden för klinisk behandling av sådana defekter är autolog bentransplantation; där benvävnad som skördats från samma patient på ett annat kirurgiskt ställe implanteras på platsen för skada eller defekt. Autografttekniken missgynnas på grund av begränsad tillgång, behovet av flera operationer, patientens åldersrelaterade immunförsvar och förlängd läkningstid. Som ett resultat, benvävnadsteknik (BTE) blir snabbt ett lovande alternativ som eliminerar behovet av ytterligare operationer. Genom design, BTE skapar en ställning för att tillfälligt ersätta den extracellulära matrisen som omger defektplatsen för att hjälpa vävnadsregenerering och benreparation för en specifik tidslinje. Första generationens tekniker för BTE kan inte kontrollera porositeten, mikroarkitektur och geometri av ställningar. Tredimensionell (3-D) utskrift används ofta för närvarande för att konstruera ställningar för vävnadsteknik med kontrollerad form och arkitektur.

Den mest använda polymeren för 3D-tryckning av benställningar är PCL, på grund av dess låga smält- och glasövergångstemperatur för enkel bearbetning. Polymererna har utmärkt mekanisk karaktär som lämpar sig för benbytesställningar och är godkända av US Food and Drug Administration. Dock, för cellsåddstillämpningar i BTE, 3D-tryckta PCL-polymerer kräver ytmodifiering eftersom den inneboende hydrofobiciteten och bristen på ytbundna biologiska igenkänningsställen begränsar ytkompatibilitet. En rad befintliga BTE -ytmodifieringstekniker implementeras därför som fysiska, kemiska och biologiska metoder. Till exempel, hydrolys av PCL med natriumhydroxid (NaOH) är en kemisk teknik som kan öka hydrofilicitet (vattenälskande natur) hos PCL genom att skapa ytkarboxyl- och hydroxylgrupper för förbättrad cellbindning.

Immobilisering av RGD -peptid på PCL -ytor kan också hjälpa celler att fästa och växa på modifierade ytor. I det här fallet, cell-materialbindning tillskrevs integriner; en grupp cellytproteiner som förmedlar cellbindning till specifika vidhäftningsmolekyler och därigenom känner igen RGD -sekvensen på en substratyta. Medan effekterna av ytmodifiering på biomaterialets egenskaper och cellulära svar studerades utförligt, resultaten är inte tillämpliga på alla typer av ställningar. Viktigast, experiment återstår att utföra för att förstå vilken av dessa ytmodifieringar som är mer effektiv för cellproliferation före osteoblast och osteogen aktivitet på en 3D-tryckt ställning. Zamani et al. undersökte därför 3D-tryckta PCL-ställningsytor modifierade genom alkalibehandling med NaOH eller genom RGD-immobilisering för att förstå cellrespons på materialkonstruktionen.

I studien, forskarna genomförde biofunktionaliseringsexperiment med murina calvariae pre-osteoblaster (MC3T3-E1) för att bedöma det osteogena svaret på modifierade 3D-ytor för BTE. Kemisk ytmodifiering åstadkoms med användning av NaOH -behandling i 24 timmar eller 72 timmar (3M koncentration), som förändrade ytopografin från en slät yta till en bikakeliknande struktur. För RGD-immobilisering, ytor inkuberades med 600 | il RGD (0,125 mg/ml). I korthet, under en tidsram på 1-14 dagar med cellodling, ökad kollagen matrisavsättning observerades på de NaOH-behandlade och RGD-immobiliserade ställningarna jämfört med de icke-modifierade kontrollerna. De kemiskt modifierade ytorna visade ökad alkalisk fosfatasaktivitet, avgörande för benutveckling. Forskarna noterade att ytor behandlade med NaOH för en optimal 24 timmar förbättrad mineralisering jämfört med de icke-modifierade kontrollerna.

Forskarna använde en 3D-upptäckt ^TM bioprinter för att skriva ut ställningarna. PCL-materialet av medicinsk kvalitet smältes i uppvärmningstanken och förlängdes genom en förvärmd nål, strängarna av PCL ritades lager för lager för att skapa 36 kubiska ställningar. De olika PCL -ställningarna med och utan ytmodifieringar kännetecknades med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM). Cellodling genomfördes med MC3T3-E1 pre-osteoblaster på de olika materialen av intresse för att observera och kvantifiera parametrar för cellproliferation, differentiering, kollagen-matrisavsättning, alkalisk fosfatasaktivitet och kalciumavsättning från 1-14 dagar. Både 24-timmars och 72-timmars NaOH-behandlade ytor visade en bikakeliknande ytopografi, men RGD -immobilisering förändrade inte på samma sätt ytopografin. De odlade pre-osteoblasterna var något sfäriska på de omodifierade PCL-ställningarna som indikerar ythydrofobicitet, i jämförelse var cellerna väl spridda på 24-timmars NaOH-behandlade och RGD-immobiliserade ställningar på grund av ythydrofilicitet och cell-ytigenkänning.

Kollagenavsättning på de modifierade/omodifierade ytor som odlats med celler observerades med picrosirius röd färgning med hjälp av ljusmikroskopi på dag 14. Den kvantifierade intensiteten av rött var större för 24-timmars NaOH-behandlade och RGD-immobiliserade ställningar jämfört med kontrollerna. Dessutom, jämfört med NaOH-ställningarna uppvisade de RGD-modifierade ytorna signifikant högre kollagenavsättning. Kalciumavsättning observerades med alizarinrödfärgade byggnadsställningar med optiska bilder. Mer röd fläck observerades på NaOH -behandlade ställningar för att indikera jämförelsevis mer kalciumavsättning. Liknande, ALP-aktiviteten var jämförelsevis högst på de 24-timmars NaOH-behandlade ställningarna. Intressant, NaOH -behandling under 72 timmar ökade inte ALP -aktiviteten jämfört med de omodifierade kontrollerna.

Baserat på de första resultaten, parametrarna för ytmodifiering förfinades i studien för att inkludera optimal RGD-immobilisering (0,011 µg/ml ställning) och 24-timmars NaOH-behandling för att kemiskt konstruera 3D-tryckta PCL-ställningar. Studien visade kollektivt förbättrad osteogen differentiering på 24-timmars NaOH-behandlade ställningar jämfört med RGD-immobiliserade ställningar in vitro. Resultaten antydde att kemisk behandling av 3D-PCL-ställningar med 3M NaOH kan vara mer lovande för in vivo-benregenerationsstudier jämfört med RGD-immobilisering, därför. Ytmodifiering på grund av införandet av funktionella hydroxyl- och karboxylgrupper via NaOH -behandling ökade hydrofilicitet och biokompatibilitet. Å andra sidan, immobilisering av RGD på PCL underlättade cellbindning och proliferation på grund av platser för celligenkänning som indikerar att båda förhållandena initialt var gynnsamma för pre-osteoblast-vidhäftning och proliferation in vitro.

Längre nedsänkning under NaOH-behandling (72 timmar) var inte gynnsam eftersom ökad ytnedbrytning ledde till högre mikroskala grovhet som förhindrade adekvata cell-cell- och/eller cell-matrisinteraktioner. Resultaten indikerade tidsskalan för att uppnå optimal ytopologi (ytjämnhet och styvhet i detta fall) för direkt osteogen differentiering var 24 timmars NaOH-behandling. Cytokompatibilitet upprepades med ALP-aktivitet och kalciumavsättningsstudier för att visa förbättrad osteogen differentiering på 24-timmars NaOH-behandlade ställningar jämfört med andra grupper, vilket indikerar deras lämplighet för ytterligare studier av benbildning med osteogena celler.

På det här sättet, genom omfattande experiment, Zamani et al visade att 24-timmars NaOH-behandlade 3D-konstruktioner ökade före osteoblastproliferation och matrisavsättning tillsammans med ökad osteogen aktivitet i BTE. Studien visade potentialen hos den optimerade materialytemodifieringen för att främja benbildning i laboratoriet genom att underlätta tillväxt och differentiering av osteogena celler.

© 2018 Science X Network