Bio-geïnspireerde materialen bootsen hun natuurlijke tegenhangers na voor karakteristieke functionaliteit in multidisciplinaire toepassingen die een populair thema vormen in de ontwikkeling van biomaterialen. Bij botweefselengineering, bijvoorbeeld, onderzoekers richten zich op de natuurlijke composietarchitectuur van bot, organisch ontworpen uit complexe structuren van gemineraliseerd collageen. De resulterende biotechnologische constructies omvatten anorganische/organische composieten op basis van natuurlijke botcomponenten van zoogdieren zoals koolzuurhoudend apatiet en collageen. Echter, opname van microdeeltjes in materiaalconstructies kan complicaties veroorzaken tijdens voortijdige in vivo resorbeerbaarheid, vanwege hun broze karakter.

In een recente studie, nu gepubliceerd in Biomedische materialen, IOP Wetenschap , Christiane Heinemann en medewerkers van het Max Bergmann Center of Biomaterials and Institute of Materials Science in Duitsland, geconstrueerde geïsoleerde nanosferen met behulp van organisch gemodificeerd hydroxyapatiet (ormoHAP) - om een ​​samengestelde steiger te vormen die aansluit bij eerder werk van hetzelfde onderzoeksteam. Heinemann et al. het nieuwe biomateriaal ontwikkeld met behulp van een elektrisch veld-geassisteerd ionen dubbel migratieproces en de aldus gevormde nanosferen ingebed, in de geschuimde gelatine organische sjabloon, om de composietsteiger te vormen.

De wetenschappers testten de biologische afbraaksnelheden van de biomaterialen om aan te tonen dat ze correleerden met de mate van verknoping (40%, 80%) vervoerd tijdens steigervoorbereiding en met het mineraalgehalte van de steigers (0%, 20%, 40%). Ze gebruikten een co-cultuurmodel van menselijke cellen van osteoblasten en osteoclasten afgeleid van stromale cellen en monocyten van het beenmerg, om de impact van ormoHAP-gelatine scaffolds op celgroei en differentiatie te testen gedurende een periode van 42 dagen.

De resultaten bevestigden dat ormoHAP ingebed in de gelatinematrix de biologische activiteit van TRAP5b verhoogde (tartraatresistente zure fosfatase 5b); een groep enzymen gesynthetiseerd in bot, gevolgd door verhoogde ALP-activiteit (alkalische fosfatase, een osteoblastmarker) en verhoogde genexpressie van BSPII (bot-sialoproteïne II – coderend voor een belangrijk structureel eiwit van de botmatrix) in osteoblasten. De wetenschappers stelden een reeks celoverspraakinteracties voor, door de aanwezigheid en concentratie van ormoHAP in het materiaal, om het waargenomen gedrag in celco-culturen in vitro te verklaren.

De hydroxyapatiet (HAP) nanokristallen zelf-geassembleerd in de organische omgeving om holle bolvormige agglomeraten te vormen in de experimenten, die de wetenschappers voor het eerst diepgaand hebben gekarakteriseerd vanwege hun rol bij het vormen van de botvervangende materialen (BSM). Heinemann et al. koos gelatine als het onderliggende matrixmateriaal vanwege de compatibiliteit met het door het elektrische veld ondersteunde mineraalvormingsproces van nanosferen, terwijl beide bestanddelen van het composiet (HAP en gelatine) cytocompatibiliteit vertoonden tijdens cel-materiaalinteracties, zoals aangetoond in eerdere onderzoeken in vitro.

Gelatine is een zeer geschikt bestanddeel om biogeïnspireerde materialen te vormen voor botweefselengineering, aangezien het een denaturatieproduct is van collageen, met ruime beschikbaarheid, verwerkbaarheid, biologische afbraak en lage antigeniciteit; geschikt om nieuwe biomaterialen te ontwikkelen. Materiaalwetenschappers ontwikkelden eerder soortgelijke constructies als gelatine/alginaat, gelatine/chitosan, gelatine/βTCP of gelatine/HAP composiet steigers, waar gemineraliseerde composieten celproliferatie faciliteerden in vergelijking met monofasische substraten. In vitro-experimenten met co-culturen van verschillende celtypen zijn beter geschikt om biomaterialen te testen, omdat ze de natuurlijke omstandigheden van intercellulaire interactie vertegenwoordigen om celregeneratie te simuleren.

Om de omstandigheden nauwkeuriger te repliceren in vivo , Heinemann et al. eerder uitgevoerde supplementvrije co-culturen met osteoblasten en osteoclasten om biomaterialen te testen tijdens materiaalondersteunde botregeneratie. Het werk wees op de vereiste van evenwichtige overspraak tussen botvormende osteoblasten en botresorberende osteoclasten, hetzij via oplosbare factoren of direct cel-celcontact, voor efficiënte botremodellering.

De wetenschappers verenigden daarom de resultaten van veel eerdere studies in het huidige werk, om de vorming van botweefselachtige extracellulaire matrixafzettingen te bepalen, geleid door het onderliggende biomateriaal. Heinemann et al. co-gekweekte menselijke stromale beenmergcellen (hBMSC) met menselijke osteoblasten (hOB), en menselijke monocyten (hMc) met menselijke osteoclasten (hOC), zonder toevoegingen op 3D composiet (ormoHAP/Gelatine) steigers. Vervolgens voerden ze celmateriaalkarakteriseringen (tests) uit om de invloed van de organisch gemodificeerde HAP-nanosferen (ormoHAP) op celgedrag en interacties in het laboratorium te onderzoeken.

De wetenschappers ontwikkelden eerst een verscheidenheid aan composieten met ormoHAP ingebed in gelatine om meerdere steigers te creëren voor celcultuurexperimenten, gevolgd door ze te testen met scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden om de micro-/nano-architectuur van het nieuwe materiaal te begrijpen. Ze observeerden duidelijke oppervlaktepatronen op de gelatinematrix vanwege de homogene ormoHAP-verdeling. Heinemann et al. produceerde een verscheidenheid van dergelijke stabiele steigers op chemisch verknoopte organische gelatine-templates en testte hun afbraakgedrag met behulp van buffer (fosfaatgebufferde zoutoplossing, PBS) of gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF) media om in vivo biologische omstandigheden in het laboratorium nauw na te bootsen.

De wetenschappers bepaalden de effecten van het percentage gelatine-verknoping en de concentratie van ormoHAP op de bioactiviteit en afbraak van het nieuwe materiaal, met vergelijkende studies. In afbraakstudies met SBF of PBS, steigers met een lagere vernettingsgraad veel sneller afgebroken, dan die met een hogere verknoping. Op dag 56, de wetenschappers observeerden hogere niveaus van bioactiviteit op steigers met 20 procent ormoHAP; bepaald door de niveaus van oppervlaktegebonden calcium te kwantificeren. Hoewel een concentratie van 40 procent ormoHAP aanvankelijk veelbelovende resultaten liet zien, de waarden van oppervlaktegebonden calcium namen met de tijd af.

Tijdens co-cultuur experimenten Heinemann et al. daarom twee verschillende concentraties ormoHAP vergeleken (20 procent en 40 procent), naast steigers gemaakt van alleen pure gelatine. De wetenschappers voerden strategisch celkweekstudies uit van dag 14 tot dag 28 en tot dag 42, vervolgens hebben ze met behulp van DNA-analyse de celkernen gekwantificeerd en de snelheid van celproliferatie berekend om het totale aantal cellen op de materiële oppervlakken te beoordelen, zonder noemenswaardig verschil tussen de oppervlakken.

Ze kwantificeerden ALP-activiteit, om osteogene differentiatie in monocultuur en cocultuur te beoordelen, die na 14 dagen afnam naarmate de celrijping toenam. Om de differentiatie van hMc tot hOB in co-cultuur te onderzoeken, de wetenschappers kwantificeerden TRAP5b-activiteit, die opmerkelijk toenam met toenemend ormoHAP-gehalte in de scaffoldsamenstelling voor materiaalondersteunde celgroei. Op dag 42 nam de snelheid van enzymactiviteit echter af vanwege de beperkte levensduur van osteoclastcellen. Heinemann et al. vervolgens uitgevoerde confocale laser scanning microscopie (cLSM) beeldvorming om co-cultuur interacties op de steiger te onderzoeken.

Ze observeerden de celco-culturen die een groen actineskelet vertoonden, blauwe celkernen met behulp van fluorescerende makers en gebruikten een rode-cel-oppervlakteantigeenmarker (CD68) om de monocyten (hMc) te detecteren. Met behulp van microscopische beelden, de wetenschappers observeerden variërende celmorfologie van spoelvorm tot bolvorm, waarin wordt beschreven hoe cellen interageerden met het onderliggende nieuwe materiaal. Ze ontdekten TRAP, als felgekleurde groene vlekken, steeds meer geconcentreerd in cellen naarmate de ormoHAP-niveaus op het materiaaloppervlak toenam, om het effect van materiaalondersteunde celgroei te benadrukken. Heinemann et al. uiteindelijk genanalyse uitgevoerd om de opregulatie van specifieke markers met betrekking tot celdifferentiatie te bepalen met behulp van kwantitatieve real-time polymerasekettingreactie (qRT-PCR).

Ze onderzochten met name BSPII (botmatrixcoderend eiwit), RANKL (receptoractivator van NF-KB-ligand) betrokken bij botmodellering/remodellering en de osteoclastmaker OSCAR (osteoclast-geassocieerde Ig-achtige receptor) die bot resorbeert - essentieel voor bothomeostase. De resultaten wezen op de opregulatie van BPSII en OSCAR, het verifiëren van materiaalondersteunde celdifferentiatie in het huidige werk.

Op deze manier, Heinemann et al. uitgebreid gekarakteriseerde cel-materiaal interacties om de nieuwe, bio-geïnspireerde ormoHAP-materialen tijdens biofunctionalisatie. Ze toonden de invloed van de nieuwe scaffold-geometrie op botvormende en resorberende cellen, en op intercellulaire interacties met elkaar, met behulp van de cel co-cultuur studie. De resultaten zullen de wetenschapper in staat stellen om geoptimaliseerde productieomstandigheden te bereiken om materiaalconstructies voor bio-geïnspireerde materiaaltechnologie verder te verbeteren en te ontwikkelen. De verhoogde concentratie van ormoHAP in de scaffolds stimuleerde cellulaire overspraak tussen osteoblasten en osteoclasten, zoals blijkt uit specifieke markers van gen-upregulatie, met veelbelovende implicaties voor verder onderzoek van de nieuwe materialen in botweefselengineering.

© 2019 Wetenschap X Netwerk