Bioinspirerade material efterliknar sina naturliga motsvarigheter för karakteristisk funktionalitet i multidisciplinära applikationer som utgör ett populärt tema inom utveckling av biomaterial. Inom benvävnadsteknik, till exempel, forskare fokuserar på benets naturliga sammansatta arkitektur, organiskt designad från komplexa strukturer av mineraliserat kollagen. De resulterande biokonstruerade konstruktionerna inkluderar oorganiska/organiska kompositer baserade på naturliga däggdjursbenkomponenter såsom kolsyrad apatit och kollagen. Dock, mikropartikelinkorporering i materialkonstruktioner kan orsaka komplikationer under för tidig in vivo-resorberbarhet, på grund av deras spröda natur.

I en nyligen genomförd studie, nu publicerad i Biomedicinska material, IOP Vetenskap , Christiane Heinemann och medarbetare vid Max Bergmann Center of Biomaterials and Institute of Materials Science i Tyskland, konstruerade isolerade nanosfärer med hjälp av organiskt modifierad hydroxiapatit (ormoHAP) – för att bilda en sammansatt ställning i linje med tidigare arbete av samma forskargrupp. Heinemann et al. konstruerade det nya biomaterialet med hjälp av en elektrisk fältassisterad jondubbelmigreringsprocess och bäddade in nanosfärerna som sålunda bildades, i den skummade gelatinmallen, för att bilda kompositställningen.

Forskarna testade biomaterialens biologiska nedbrytningshastigheter för att visa att de korrelerade med graden av tvärbindning (40 %, 80 %) transporteras under ställningsberedningen och med mineralinnehållet i ställningarna (0 %, 20 %, 40 %). De använde en samodlingsmodell för mänskliga celler av osteoblaster och osteoklaster härledda från benmärgsstromaceller och monocyter, att testa effekten av ormoHAP-gelatinställningar på celltillväxt och differentiering under en period av 42 dagar.

Resultaten bekräftade att ormoHAP inbäddad i gelatinmatrisen förbättrade TRAP5b bioaktivitet (tartratresistent surt fosfatas 5b); en grupp enzymer som syntetiseras i ben, följt av ökad ALP-aktivitet (alkaliskt fosfatas, en osteoblastmarkör) och ökat genuttryck av BSPII (bensialoprotein II – som kodar för ett huvudsakligt strukturellt protein i benmatrisen) i osteoblaster. Forskarna föreslog en sekvens av cellöverhörande interaktioner, på grund av närvaron och koncentrationen av ormoHAP i materialet, att förklara det observerade beteendet i cellsamkulturer in vitro.

Hydroxiapatit (HAP) nanokristallerna självmonterade i den organiska miljön för att bilda ihåliga sfäriska agglomerat i experimenten, som forskarna först karakteriserade på djupet på grund av deras roll i att bilda benersättningsmaterialen (BSM). Heinemann et al. valde gelatin som det underliggande ställningsmatrismaterialet på grund av dess kompatibilitet med den elektriska fältstödda mineralbildningsprocessen av nanosfärer, medan båda beståndsdelarna i kompositen (HAP och gelatin) visade cytokompatibilitet under cell-material interaktioner som visats i tidigare studier in vitro.

Gelatin är en väl lämpad beståndsdel för att bilda bioinspirerade material för benvävnadsteknik, eftersom det är en denatureringsprodukt av kollagen, med riklig tillgänglighet, bearbetbarhet, biologisk nedbrytning och låg antigenicitet; lämpade för att utveckla nya biomaterial. Materialforskare utvecklade tidigare liknande konstruktioner som gelatin/alginat, gelatin/kitosan, gelatin/βTCP eller gelatin/HAP kompositställningar, där mineraliserade kompositer underlättade cellproliferation jämfört med monofasiska substrat. In vitro-experiment med samkulturer av olika celltyper är bättre lämpade för att testa biomaterial eftersom de representerar de naturliga förhållandena för intercellulär interaktion för att simulera cellregenerering.

För att mer exakt replikera förhållandena in vivo , Heinemann et al. tidigare genomfört tilläggsfria samkulturer med osteoblaster och osteoklaster för att testa biomaterial under materialassisterad benregenerering. Arbetet indikerade kravet på balanserad överhörning mellan benbildande osteoblaster och benresorberande osteoklaster antingen via lösliga faktorer eller direkt cell-cellkontakt, för effektiv benombyggnad.

Forskarna förenade därför resultaten från många tidigare studier i detta arbete, för att bestämma bildningen av benvävnadsliknande extracellulära matrisavlagringar styrda av det underliggande biomaterialet. Heinemann et al. samodlade humana benmärgsstromaceller (hBMSC) med humana osteoblaster (hOB), och humana monocyter (hMc) med humana osteoklaster (hOC), utan tillägg på 3D-komposit (ormoHAP/Gelatin) ställningar. De genomförde sedan cellmaterialkarakteriseringar (tester) för att undersöka påverkan av de organiskt modifierade HAP-nanosfärerna (ormoHAP) på cellbeteende och interaktioner i labbet.

Forskarna konstruerade först en mängd olika kompositer med ormoHAP inbäddat i gelatin för att skapa flera ställningar för cellodlingsexperiment, följt av att testa dem med scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder för att förstå mikro-/nano-arkitekturen i det nya materialet. De observerade distinkt ytmönster på gelatinmatrisen på grund av homogen ormoHAP-fördelning. Heinemann et al. producerade en mängd sådana stabila ställningar på kemiskt tvärbundna organiska gelatinschabloner och testade deras nedbrytningsbeteende med hjälp av buffert (fosfatbuffrad saltlösning, PBS) eller simulerad kroppsvätska (SBF) media för att nära efterlikna in vivo biologiska förhållanden i labbet.

Forskarna bestämde effekterna av procentandelen av gelatintvärbindning och koncentrationen av ormoHAP på bioaktiviteten och nedbrytningen av det nya materialet, med jämförande studier. I nedbrytningsstudier med SBF eller PBS, byggnadsställningar med en lägre grad av tvärbindning bryts ned mycket snabbare, än de med högre tvärbindning. Dag 56, forskarna observerade högre nivåer av bioaktivitet på byggnadsställningar med 20 procent ormoHAP; bestäms genom att kvantifiera nivåerna av ytbundet kalcium. Även om en koncentration på 40 procent ormoHAP visade lovande resultat initialt, värdena av ytbundet kalcium minskade med tiden.

Under samodlingsexperiment har Heinemann et al. jämförde därför två olika koncentrationer av ormoHAP (20 procent och 40 procent), vid sidan av ställningar gjorda av enbart rent gelatin. Forskarna genomförde strategiskt cellkulturstudier från dag 14 till dag 28 och fram till dag 42, sedan med hjälp av DNA-analys kvantifierade de cellkärnorna och beräknade cellproliferationshastigheten för att bedöma det totala antalet celler på materialytorna, utan någon signifikant skillnad observerad mellan ytorna.

De kvantifierade ALP-aktivitet, att bedöma osteogen differentiering i monokultur och samkultur, som minskade efter 14 dagar när cellmognaden ökade. För att undersöka differentieringen av hMc till hOB i samodling, forskarna kvantifierade TRAP5b-aktivitet, som ökade anmärkningsvärt med ökande ormoHAP-halt i ställningskompositionen för materialassisterad celltillväxt. På dag 42 minskade emellertid hastigheten av enzymaktivitet på grund av osteoklastcellers begränsade livslängd. Heinemann et al. Därefter genomfördes konfokal laserskanningsmikroskopi (cLSM) avbildning för att undersöka samkulturinteraktioner på ställningen.

De observerade cellsamkulturerna som visade grönt aktinskelett, blå cellkärnor med hjälp av fluorescerande tillverkare och använde en markör för ytantigen för röda blodkroppar (CD68) för att detektera monocyterna (hMc). Med hjälp av mikroskopiska bilder, forskarna observerade varierande cellmorfologi från spindelform till sfärisk form, beskriver hur celler interagerar med det underliggande nya materialet. De upptäckte TRAP, som ljusa fläckar av grönt, allt mer koncentrerad inom cellerna när ormoHAP-nivåerna på materialytan ökade, för att belysa effekten av materialassisterad celltillväxt. Heinemann et al. slutligen genomförde genanalys för att bestämma uppregleringen av specifika markörer relaterade till celldifferentiering med hjälp av kvantitativ realtidspolymeraskedjereaktion (qRT-PCR).

Särskilt de undersökte BSPII (benmatriskodande protein), RANKL (receptoraktivator av NF-KB-ligand) involverad i benmodellering/remodellering och osteoklasttillverkaren OSCAR (osteoklastassocierad Ig-liknande receptor) som resorberar ben - väsentligt för benhomeostas. Resultaten indikerade uppreglering av BPSII och OSCAR, verifiering av materialassisterad celldifferentiering i detta arbete.

På det här sättet, Heinemann et al. omfattande interaktioner mellan cell och material för att förstå det nya, bioinspirerade ormoHAP-material under biofunktionalisering. De visade påverkan av den nya ställningsgeometrin på benbildande och resorberande celler, och på intercellulära interaktioner med varandra, med hjälp av cellsamkulturstudien. Resultaten kommer att göra det möjligt för forskaren att uppnå optimerade produktionsförhållanden för att ytterligare förbättra och utveckla materialkonstruktioner för bioinspirerad materialteknik. Den ökade koncentrationen av ormoHAP i byggnadsställningarna stimulerade cellulärt överhörande mellan osteoblaster och osteoklaster, vilket framgår av specifika markörer för genuppreglering, med lovande konsekvenser för vidare undersökningar av de nya materialen inom benvävnadsteknik.

© 2019 Science X Network