Materialen zoals poly (ε-caprolacton) worden gebruikt als steigers in botweefselengineering, maar hun inherente hydrofobiciteit en oppervlaktegladheid kunnen de celhechting aantasten, proliferatie en differentiatie in het laboratorium, of na implantatie in vivo. Oppervlaktemodificaties, waaronder chemische veranderingen of de immobilisatie van biologisch actieve moleculen op materialen, kunnen de intrinsieke hydrofobiciteit van poly(ε-caprolacton) (PCL) overwinnen. In een recente studie, bio-ingenieurs Yasaman Zamani en haar collega's onderzochten een chemisch gemodificeerde, 3D-geprint PCL-materiaaloppervlak geïmmobiliseerd met RGD-peptide (R:arginine, G:glycine, D:asparaginezuur). De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd op Biomedische materialen , IOP publiceren.

Grote botdefecten veroorzaakt door trauma of tumorresectie kunnen vaak niet genezen via het natuurlijke proces van botregeneratie. De bestaande gouden standaard voor klinische behandeling van dergelijke defecten is autologe bottransplantatie; waarbij botweefsel dat van dezelfde patiënt op een andere operatieplaats is geoogst, wordt geïmplanteerd op de plaats van letsel of defect. De autografttechniek is benadeeld door de beperkte aanvoer, de noodzaak van meerdere operaties, leeftijdsgebonden immuuncompromis van de patiënt en verlengde genezingstijd. Als resultaat, bone tissue engineering (BTE) wordt snel een veelbelovend alternatief dat de noodzaak voor aanvullende operaties elimineert. Met opzet, BTE creëert een steiger om tijdelijk de extracellulaire matrix rond de plaats van het defect te vervangen om weefselregeneratie en botherstel voor een specifieke tijdlijn te ondersteunen. Eerste generatie technieken van AHO kunnen de porositeit niet beheersen, microarchitectuur en geometrie van steigers. Driedimensionaal (3D) printen wordt momenteel vaak gebruikt om steigers te ontwerpen voor weefselengineering met gecontroleerde vorm en architectuur.

Het meest gebruikte polymeer voor het 3D-printen van botsteigers is PCL, vanwege zijn lage smelt- en glasovergangstemperatuur voor eenvoudige verwerking. De polymeren hebben een uitstekend mechanisch karakter en zijn geschikt voor botvervangingssteigers en zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration. Echter, voor cell-seeding toepassingen in AHO, 3D-geprinte PCL-polymeren vereisen oppervlaktemodificatie omdat de inherente hydrofobiciteit en het ontbreken van aan het oppervlak gebonden biologische herkenningsplaatsen de biocompatibiliteit van het oppervlak beperken. Een reeks bestaande AHO-oppervlaktemodificatietechnieken wordt daarom geïmplementeerd als fysieke, chemische en biologische methoden. Bijvoorbeeld, hydrolyse van PCL door natriumhydroxide (NaOH) is een chemische techniek die de hydrofiliciteit (waterminnende aard) van PCL kan verhogen door carboxyl- en hydroxylgroepen aan het oppervlak te creëren voor verbeterde celhechting.

Het immobiliseren van RGD-peptide op PCL-oppervlakken zou ook kunnen helpen cellen te hechten en te groeien op gemodificeerde oppervlakken. Op dit moment, aanhechting van celmateriaal werd toegeschreven aan integrines; een groep celoppervlakte-eiwitten die celbinding aan specifieke adhesiemoleculen mediëren en daardoor de RGD-sequentie op een substraatoppervlak herkennen. Hoewel de effecten van oppervlaktemodificatie op biomateriaaleigenschappen en cellulaire reacties uitgebreid werden bestudeerd, de resultaten zijn niet van toepassing op alle soorten steigers. Het belangrijkste is, experimenten moeten nog worden uitgevoerd om te begrijpen welke van deze oppervlaktemodificaties effectiever is voor pre-osteoblastcelproliferatie en osteogene activiteit op een 3D-geprinte steiger. Zamani et al. daarom onderzocht 3D-geprinte PCL-steigeroppervlakken gemodificeerd door alkalibehandeling met NaOH of door RGD-immobilisatie om de cellulaire respons op het materiaalconstruct te begrijpen.

In de studie, de onderzoekers voerden biofunctionalisatie-experimenten uit met pre-osteoblasten van murine calvariae (MC3T3-E1) om de osteogene respons op gemodificeerde 3D-oppervlakken voor AHO te beoordelen. Chemische oppervlaktemodificatie werd bereikt met behulp van NaOH-behandeling gedurende 24 uur of 72 uur (3M-concentratie), die de oppervlaktetopografie veranderde van een glad oppervlak in een honingraatachtige structuur. Voor RGD-immobilisatie, oppervlakken werden geïncubeerd met 600 µl RGD (0,125 mg/ml). In het kort, gedurende een periode van 1-14 dagen celcultuur, verhoogde collagene matrixafzetting werd waargenomen op de met NaOH behandelde en met RGD geïmmobiliseerde steigers in vergelijking met de niet-gemodificeerde controles. De chemisch gemodificeerde oppervlakken vertoonden een verhoogde activiteit van alkalische fosfatase, cruciaal voor botontwikkeling. De onderzoekers merkten op dat oppervlakken die gedurende 24 uur met NaOH waren behandeld, de mineralisatie verbeterden in vergelijking met de niet-gemodificeerde controles.

De onderzoekers gebruikten een 3D Discovery ^TM bioprinter om de steigers te printen. Het PCL-materiaal van medische kwaliteit werd in de verwarmingstank gesmolten en door een voorverwarmde naald verlengd, de strengen van PCL werden laag voor laag uitgezet om 36 kubieke steigers te creëren. De verschillende PCL-steigers met en zonder oppervlaktemodificaties werden gekarakteriseerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Celkweek werd uitgevoerd met MC3T3-E1 pre-osteoblasten op de verschillende materialen van belang om parameters van celproliferatie te observeren en te kwantificeren, differentiatie, collageen-matrix afzetting, alkalische fosfatase-activiteit en calciumafzetting van 1-14 dagen. Zowel 24-uurs als 72-uurs NaOH-behandelde oppervlakken vertoonden een honingraatachtige oppervlaktetopografie, maar RGD-immobilisatie veranderde de oppervlaktetopografie niet op dezelfde manier. De gekweekte pre-osteoblasten waren enigszins bolvormig op de ongemodificeerde PCL-steigers, wat wijst op hydrofobiciteit van het oppervlak, in vergelijking waren de cellen goed verspreid op de 24-uurs NaOH-behandelde en RGD-geïmmobiliseerde steigers vanwege de hydrofiliciteit van het oppervlak en de herkenning van het celoppervlak.

Collageenafzetting op de gemodificeerde/ongemodificeerde oppervlakken gekweekt met cellen werd waargenomen met picrosiriusroodkleuring met behulp van lichtmicroscopie op dag 14. De gekwantificeerde intensiteit van rood was groter voor 24-uurs NaOH-behandelde en RGD-geïmmobiliseerde steigers in vergelijking met de controles. Aanvullend, vergeleken met de NaOH-steigers vertoonden de RGD-gemodificeerde oppervlakken een significant hogere collageenafzetting. Calciumafzetting werd waargenomen met met alizarinerood gekleurde steigerconstructies met behulp van optische beelden. Er werd meer rode vlek waargenomen op met NaOH behandelde steigers om relatief meer calciumafzetting aan te geven. evenzo, ALP-activiteit was relatief het hoogst op de 24-uurs NaOH-behandelde scaffolds. interessant, NaOH-behandeling gedurende 72 uur verhoogde de ALP-activiteit niet in vergelijking met de ongemodificeerde controles.

Op basis van de eerste resultaten, de parameters van oppervlaktemodificatie werden in de studie verfijnd om optimale RGD-immobilisatie (0,011 µg/mL-steiger) en 24-uurs NaOH-behandeling op te nemen om de 3D-geprinte PCL-steigers chemisch te engineeren. De studie toonde gezamenlijk een verbeterde osteogene differentiatie aan op 24-uurs NaOH-behandelde scaffolds in vergelijking met RGD-geïmmobiliseerde scaffolds in vitro. De resultaten suggereerden dat chemische behandeling van 3-D PCL-steigers met 3M NaOH veelbelovender kan zijn voor in vivo botregeneratieonderzoeken in vergelijking met RGD-immobilisatie, daarom. Oppervlaktemodificatie door de introductie van functionele hydroxyl- en carboxylgroepen via NaOH-behandeling verhoogde de hydrofiliciteit en biocompatibiliteit. Anderzijds, immobilisatie van RGD op PCL vergemakkelijkte celhechting en -proliferatie als gevolg van plaatsen van celherkenning, wat aangeeft dat beide omstandigheden aanvankelijk gunstig waren voor pre-osteoblastaanhechting en proliferatie in vitro.

Langere onderdompeling tijdens de NaOH-behandeling (72 uur) was niet gunstig, aangezien verhoogde oppervlaktedegradatie leidde tot een hogere ruwheid op microschaal, waardoor adequate cel-cel- en/of cel-matrix-interacties werden verhinderd. De resultaten gaven aan dat de tijdschaal voor het bereiken van een optimale oppervlaktetopologie (oppervlakteruwheid en stijfheid in dit geval) voor directe osteogene differentiatie 24 uur NaOH-behandeling was. Cytocompatibiliteit werd herhaald met ALP-activiteit en calciumafzettingsstudies om verbeterde osteogene differentiatie aan te tonen op 24-uurs NaOH-behandelde scaffolds in vergelijking met andere groepen, wat aangeeft dat ze geschikt zijn voor verder onderzoek naar botvorming met osteogene cellen.

Op deze manier, door uitgebreide experimenten, Zamani et al toonden aan dat 24-uurs NaOH-behandelde 3-D-constructen de pre-osteoblastproliferatie en matrixafzetting verhoogden naast verhoogde osteogene activiteit in AHO. De studie toonde het potentieel aan van de geoptimaliseerde modificatie van het materiaaloppervlak om botvorming in het laboratorium te bevorderen door de groei en differentiatie van osteogene cellen te vergemakkelijken.

© 2018 Wetenschap X Netwerk