Framsteg inom materialvetenskap och produktionsteknik har möjliggjort benvävnadsteknik (BTE) strategier som genererar komplexa byggnadsställningar med kontrollerad arkitektur för benreparation. De nya biomaterialen kan funktionaliseras ytterligare med bioaktiva molekyler för biokompatibilitet genom att förbättra osteoinduktiviteten (inducerar osteogenes för att initiera benläkning). I en nyligen publicerad studie publicerad i Multifunktionella material, IOP Vetenskap , Arun Kumar Teotia och medarbetare vid institutionerna för bioteknik, ortopedi, kemiteknik och biomedicinsk teknik, i Indien, Finland och Sverige utvecklade en roman, multifunktionell, dubbelskiktad kompositställning (BCS). Det nya materialet innehöll keramisk nano-cement (NC) och den makroporösa kompositställningen (CG) för att efterlikna benarkitekturen under benreparation.

För att funktionalisera ställningarna, materialforskarna lade till rekombinant humant benmorfogenetiskt protein-2 (rhBMP-2) (BMP) och zoledronsyra (ZA). Forskarna föreslog att de sammansatta ställningarna skulle stödja spridningen av osteoblastfaderceller, tillsammans med kontrollerad frisättning av laddade bioaktiva molekyler för att inducera benregenerering. Forskare i samma forskarlag hade tidigare utvecklat ett liknande multifunktionellt material för att testa dess initiala effekt under en in vivo-pilotstudie.

I föreliggande studie, Teotia et al. observerade en högre mängd mineraliserad vävnad (MT) med funktionaliserade ställningar inom 12 veckor efter in vivo-implantation i en större grupp råttor med 8,5 mm kritiska kraniala defekter. De kombinerade dubbelskiktade kompositställningarna (BCS) funktionaliserade med zoledronsyra (ZA) (för att bilda BCS+ZA) innehöll den högsta MT-avsättningen (13,9 mm) ³ ). Följt av den makroporösa kompositställningen (CG) funktionaliserad med BMP och ZA (CG+BMP+ZA) vid 9,2 mm ³ och BCS+ZA+BMP med 7,6 mm ³ av MT-deposition.

MT-värdena som registrerades i studien under benregenerering var signifikant högre än osteogeneshastigheten på enbart de icke-funktionaliserade CG- eller BCS-ställningarna (utan bioaktiva molekyler). Resultaten stödde BTE-strategierna som utvecklats i studien för att bilda en osteo-främjande multifunktionell ställning som kunde implanteras in vivo för att reparera kritiska defekter.

En unik egenskap hos benvävnad är dess förmåga att läka utan ärrbildning som en mycket dynamisk vävnad med betydande potential för regenerering. Naturlig benbildning sker antingen via endokondral förbening i tubulära ben (t.ex. falanger, lårben) eller under broskavsättning, följt av förbening. I en tredje process, intramembranös direkt förbening kan förekomma i platta ben (skalle, bäcken) utan broskbildning. Regenerering är en långsam process i platta ben (skalle, bäcken) på grund av begränsade mesenkymala stamceller (MSCs), kräver större cellrekrytering från periosteum eller dura.

Som ett resultat, läkning av kritiska storleksdefekter i platta ben, såsom kraniet är en utmaning som kräver optimerade BTE-strategier. Autograft benflikar föredrogs till en början för kranioplastik för att minimera immunologiska reaktioner, infektioner och igenkänning av främmande kroppar. Därefter, forskare utvecklade vaskulariserade kalvariumbentransplantat som ett föredraget val för kranial rekonstruktion i ytterligare studier. Dock, de associerade transplantationsstrategierna introducerade komplikationer under materialresorption efter implantation och reparation, tillsammans med andra kliniska komplikationer vid kontaktstället mellan implantatet och det ursprungliga benet. Regenerering och cellinfiltration i en calvariaflik beror till stor del på progenitorceller som kan migrera från den underliggande dura eller de överliggande perikraniala lagren, att differentiera till aktiva osteogena celler för läkning. Om cellmigration är tilltäppt från de två membranen (dura och pericranium), benbildningen skulle vara betydligt lägre.

Forskare hade redan bestämt att de två membranen är viktiga för att spela en specifik roll under regenerering, även om med åldern är periosteums roll i kraniumregenerering mindre betydelsefull. I föreliggande studie, Teotia et al. utvecklade hypotesen att en osteokonduktiv yta skulle kunna upprätthålla överhörning mellan dura- och perikraniallagren för tidig vaskularisering och klinisk framgång. För att åstadkomma detta, de genererade en dubbelskiktad ställningsarkitektur som integrerade en resorberbar bifasisk nano-hydroxiapatit-kalciumsulfat keramisk nano-cement (NC) i det övre lagret och silke-bioglas-hydroxiapatit komposit porös kryogel (CG) som ett underliggande lager.

Teotia et al. använde den dubbelskiktade designen för att integrera den mekaniska styrkan hos NC som ett skyddande övre skikt och det porösa kompositskiktet CG som en yta för cellfästning, infiltration, proliferation och vaskularisering. Forskarna förväntade sig att de designade ytorna skulle upprätthålla kommunikationen mellan den underliggande duran och de överliggande periosteala membranen. De funktionaliserade de nya materialen och implanterade dem in vivo i Wistar-råttor med kritiska kraniala defekter för att utvärdera effekten av dubbelskiktad porös arkitektur på osteokonduktion och benbildning i prekliniska, translationella studier.

Under materialtillverkning, forskarna gjutna NC till en konkav-konvex formad arkitektur för att matcha formen på kraniet och lät den stelna, att konstruera multifunktionella dubbelskiktsställningar för kranioplastik. De bildade cirkulära BCS-skivor bestående av övre NC och nedre CG och genomförde kirurgiska procedurer på djurmodellerna. Under operationen, Teotia et al. implanterade ställningsskivorna på platsen för defekten och utförde ex vivo mikro-CT och radiologisk analys på det utskurna och skördade kalvariet efter att ha offrat djurmodellerna, 12 veckor efter diskimplantation.

Forskarna genomförde radiologiska analyser av benbildning på defektplatsen för att observera förbenad vävnadsbildning, använda nanoScan in vivo-skannern för radiografiska projektioner av defekten. De använde mikro-CT-analys för att upptäcka bildning av högmineraliserad vävnad (MT) och undersöka defektfyllning i den 8,5 mm kirurgiskt inducerade cirkulära defekten (intressant område). Efter 12 veckor, mineralisering uppnådde inte perfekt stängning i djurmodellen. Forskarna använde bildkvantifieringsprogram för att visa den högsta mängden mineraliserad vävnadsbildning i BCS+ZA-gruppen, följt av CG+ZA+BMP-gruppen, följt av CG+ZA+BMP- och BCS+ZA+BMP-grupper.

Efter skörd, forskarna fixade kraniumproverna för histologisk analys och utförde hematoxylin och eosin (H&E) och Massons trikromfärgning av råttkalvarier. De visade att både den porösa kompositställningen (CG) och den dubbelskiktade ställningen (NC+GC) (BCS) integrerade väl med befintligt ben på platsen för defekten. Ställningarna gav porösa ytor för grundlig cellinfiltration. Teotia et al. visade också att funktionaliserade ställningar hade konsekvent högre MT-bildning via histologiska analyser på grund av närvaron av osteokonduktiva och osteoinduktiva faktorer i den bioaktiva molekylkompositen jämfört med de icke-funktionaliserade grupperna. Histologiresultaten överensstämde med mikro-CT-resultaten i studien.

På det här sättet, Teotia et al. visade att multifunktionella kompositställningar kunde ersätta auto- eller allotransplantat i stor storlek, skelettdefekter i kraniet. De visade att de multifunktionella materialen kunde inducera tidig vaskularisering och förbättra mineraliseringen in vivo. Som förväntat, kompositställningarna möjliggjorde porös osteoledande kommunikation mellan tidig cellinfiltration från periosteum och de underliggande duraskikten under snabb benbildning. De multifunktionella materialen lovar att förbättra benmineralisering och tidig defektläkning efter implantation. Teotia et al. föreslår att genomföra ytterligare studier i stora prekliniska djurmodeller för att optimera och översätta det nya biomaterialet för kliniska tillämpningar.

© 2019 Science X Network