I en ny studie nu publicerad på NPG Asia Materials , bioingenjörer rapporterar utvecklingen av ett nytt fibröst membran med stamceller för att reparera bendefekter i skalle hos möss. För detta, de införlivade musslorinspirerat polydopaminprotein som en lovande förening för att binda biologiska ämnen till membranytorna, ungefär som limproteiner i musslor. I arbetet, Yi Deng och ett forskargrupp i de tvärvetenskapliga avdelningarna för kemiteknik, maskinteknik, materialteknik, centrum för framtida material och regenerativ medicin i Kina och Australien, belagde de biokompatibla membranen med polydopaminnanopartiklar för att bilda många topologiska platser för kalciumbindning och reparation av bendefekter.

Teamet inkuberade de obelagda och belagda membranen med stamceller isolerade från benmärg och implanterade membranen för att regenerera skallefel hos levande möss. Efter en 2-månaders translationell studie, de avslöjade förmågan hos de klibbiga membranen att styra stamceller att producera betydligt större mängder ben, jämfört med obelagda membran. Bendefekter och skador kan vanligtvis uppstå på mikroskopisk nivå som medfödda defekter, på grund av olyckor eller som åldersrelaterad degenerativ sjukdom. De flesta benfel kan inte repareras spontant genom självläkande mekanismer som leder till ett brådskande krav på att utveckla robusta biomaterial som underlättar benreparation inom benforskning och benvävnadsteknik.

Bioingenjörer kan manipulera stamcellsdifferentiering för att bilda mogna osteoblaster via guidad vävnadsregenerering (GTR) på ytmembran för optimerad, storskalig benregenerering. Inom materialvetenskap och avancerade funktionella material, elektrospunna membran har fått massiv uppmärksamhet för sådana guidade vävnadstekniska strategier på grund av flera biokompatibla fördelar, Inklusive:

1. Biomimik för infästning av stamceller
2. Stor yta för att underlätta celladhesion och tillväxt
3. Möjligheten att bilda 3D-fibrösa membran och påskynda den osteogena potentialen hos många stamcellslinjer (från mus, råtta och mänskliga arter).

Materialforskare klassificerar syntetiska GTR -material i två huvudkategorier som (1) bioabsorberbara och (2) icke -absorberbara material; där icke -absorberbara material måste avlägsnas efter implantation via en andra operation, orsakar ökade sjukvårdskostnader, samtidigt som den äventyrar nybildad vävnad. I kontrast, biologiskt nedbrytbara membran såsom polyvinylalkohol (PVA), poly (laktid-ko-glykolid) (PLGA) eller PCL föredras för kliniska implantationer, även om biologiska komplikationer allvarligt har hindrat deras kliniska adoption.

I det nuvarande arbetet, därför, Deng et al. använde det bioinspirerade limproteinet som utsöndras från musslor som en 'materialoberoende' och lätt ytbeläggning, ingenjörsstrategi baserad på katekolkemi. Polydopamin (PDA) kan underlätta osteoblastisk differentiering av stamceller på en mängd olika substrat som en nanoskala biomaterialbeläggning, för att stödja mesenkymal stamcellsbindning och inducera omprogrammering av humana somatiska celler. Ändå, PDA -nanolager kan lätt delaminera från ytor för att inducera lokal cellapoptos eller inflammatoriska reaktioner som negativa effekter. Deng et al. genomfört specifika experimentella steg för att övervinna de befintliga begränsningarna och utveckla ett nytt biokompatibelt och biologiskt nedbrytbart membran i labbet. Det nyutvecklade biomaterialet eller fibrösa membranet kommer att ge en gynnsam nisch för att styra öden för lokala stamceller för att bilda osteoblaster för benregenerering.

Steg ett:Teknisk PDA-inkluderad PCL (PDA/PCL) med elektrospinning

Forskarna använde katekolkemi för PDA/PCL fibermembran och syntes. De dispergerade enhetligt PDA -nanopartiklarna (NP) i PCL via kontinuerlig sonikering och virvelbildning för att bilda fibrösa membran via elektrospinning. Deng et al. använde ett svepelektronmikroskop (SEM) och observerade ytegenskaper hos slumpmässiga, mikronstor fibernät. Jämförelsevis, de rena PCL -elektrospunna membranen förblev släta, medan integrationen av PDA NP gjorde fiberytorna grova. Forskarna bekräftade den nya ytkemin med hjälp av Raman-spektra och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) -analys. Biomaterialen var hydrofila vilket möjliggjorde proteinadsorption och cellfästning. Forskarna genomförde kontaktvinkelmätningar för att verifiera ytvätbarhet och förbättrad hydrofilicitet efter PDA -modifiering jämfört med ren, omodifierade PCL -membran.

Steg två:Ytkarakteriseringsstudier

Eftersom bioaktiva membran kan integreras med omgivande osseös vävnad (benvävnad), Deng et al. bedömde bildandet av benapatitskikt på ytan av biomaterial nedsänkt i simulerad kroppsvätska (SBF) -lösning. Efter 7 dagars nedsänkning, forskarna observerade grupperade nodulära aggregat på PDA/PCL -membranen, som ökade dramatiskt med dag 14. Jämförelsevis, kontrollprovet av orörda omodifierade PCL behöll Ca-P-avlagringar vid sju dagar, med apatitöar dag 14. När PDA -innehållet ökade, därför, mängden apatit som avsatts på ytan ökade. Deng et al. använde materialkarakteriseringsdata för att validera förbättrad in vitro bioaktivitet hos PDA/PCL -membran jämfört med ren PCL -kontroll.

Steg tre:Biofunktionaliseringsstudier

Forskarna bedömde cytokompatibiliteten (cellbiokompatibilitet) för de konstruerade PDA/PCL -membranen i förhållande till celladhesion, spridning, och human mesenkymal stamcell (hMSC) -proliferation. HMSC finns i stor utsträckning i benmärgen för att hjälpa vävnadsreparation under skada. Efter 6 timmars cellodling, hMSC:erna med runda cellulära former vidhäftade inte bra på ren PCL utan uttryckte filopodia för membranytfäste på tre varianter av PDA/PCL -membran. Använda cellräkningsexperiment och cellkänslighet CCK-8-analyser, Deng et al. visade att innehållet i PDA -NP signifikant påverkade antalet livskraftiga celler fästa på ytan, och observerade optimala ytegenskaper med 2 procent PDA/PCL -gruppen i arbetet.

Forskargruppen bestämde den optimala formeln för att konstruera PDA/PCL -membran för guidad benvävnadsregenerering genom att bestämma alkaliskt fosfatas (ALP) aktivitet och kalciummatrisproduktion av hMSC med Alizarin Red S (ARS) -färgning. Celltillväxt och osteogen differentiering var låg när mängderna av PDA -NP antingen var höga eller låga, eftersom låga koncentrationer inte utlöste celltillväxt, medan höga koncentrationer var giftiga i studien.

Eftersom undersökningar på molekylär nivå är ett kraftfullt verktyg i biomaterial för bioingenjör, Deng et al. undersökte samspelet mellan hMSC och konstruerade membran med hjälp av molekylära verktyg. För detta, de övervakade uttrycket av osteogenesrelaterade gener ALP, Runx2, Col1a1 och OPN i hMSC odlade på membranen. Vid 7 dagar observerade de betydande nivåer av ALP -genuttryck på 2 procent PDA/PCL -provet.

Vid dag 14, nivån av Runx2 -gen uttryckt på 1 och 2 procent PDA/PCL -grupper överträffade signifikant den rena PCL -gruppen. Dock, med 21 dagar, forskarna såg ingen märkbar skillnad mellan de fyra grupperna. De verifierade observationerna med hjälp av immunfluorescensfärgning och valde 2 procent PDA/PCL -membran för optimal induktion av hMSC för att differentieras till mogna osteoblaster.

Steg fyra:Översättningsstudie

Styrd av data från in vitro -experiment, Deng et al. undersökte mikrofibermembranets biofunktionalitet in vivo med användning av en djurmodell. För detta, de skapade bendefekter av kritisk storlek på mössskallar och placerade fibrösa membran för att täcka defekterna, följt av benbildningstester med mikrodatortomografi (mikro-CT), histologiska analyser och fluorescerande märkning; fyra till åtta veckor efter implantation.

När de undersökte 3D-bilderna av mikro-CT-skalle, 2 -procentigt PDA/PCL -membranet erbjöd de största områdena med ny benbildning, med betydande expansion till mitten av bendefekten. Forskarna fick ett högre innehåll av förkalkad matris och benremodellering i 2 procent PDA/PCL -membranen för fenomenal osteokonduktiv integration.

Hematoxylin- och eosin (H&E) -färgningen avslöjade fibrös vävnad i hålrummen i PCL -gruppen, med jämförelsevis synlig benomstrukturering i 2 procent PDA/PCL -gruppen. Forskarna observerade också ben med riklig vaskularisering efter 8 veckor efter operationen i 2 procent PDA/PCL-grupperna. De utförde ytterligare färgning med Masson, toluidinblått och immunohistokemi (IHC) -färgning för att identifiera nya ben- och kollagenbildning på djupet. De kombinerade histologiska data avslöjade att användning av PDA -NP i konstruerade fibrösa membran signifikant ökar benregenerering, stödja hypotesen att osteodifferentiering in vitro också var effektiv in vivo.

På det här sättet, Yi Deng och medarbetare bioengineered co-electrospun PDA NPs med en bioinert syntetisk polymer för att konstruera bioinspirerad, flexibla och osteopromotiska PDA/PCL -fibrösa membran för benvävnadstekniska tillämpningar inom regenerativ medicin. Mängden PDA -NP som ingår i kompositen förbättrade signifikant den kemiska sammansättningen, fiberstorlek och mekaniska egenskaper hos de utvecklade membranen. Både in vitro -experiment och in vivo -data validerade förmågan till ny benbildning med 2 procent PDA/PCL -konstruktioner jämfört med ren PCL. De konstruerade PCL/PDA -membranen är osteokonduktiva och enkla att transplantera med stor potential för GTR -applikationer.

© 2019 Science X Network