In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op NPG Azië-materialen , bio-ingenieurs rapporteren de ontwikkeling van een nieuw vezelig membraan met stamcellen om botdefecten in de schedels van muizen te herstellen. Voor deze, ze gebruikten op mosselen geïnspireerd polydopamine-eiwit als een veelbelovende verbinding om biologische stoffen aan de membraanoppervlakken te binden, net als adhesieve eiwitten in mosselen. In productie, Yi Deng en een onderzoeksteam in de interdisciplinaire afdelingen van chemische technologie, machinebouw, materiaal technologie, centrum voor toekomstige materialen en regeneratieve geneeskunde in China en Australië, bekleedde de biocompatibele membranen met polydopamine-nanodeeltjes om veel topologische plaatsen te vormen voor calciumaanhechting en herstel van botdefecten.

Het team incubeerde de ongecoate en gecoate membranen met stamcellen geïsoleerd uit beenmerg en implanteerde de membranen om schedelbotdefecten bij levende muizen te regenereren. Na een translationele studie van 2 maanden, ze onthulden het vermogen van de kleverige membranen om stamcellen te sturen om significant grotere hoeveelheden bot te produceren, vergeleken met ongecoate membranen. Botdefecten en verwondingen kunnen vaak op microscopisch niveau voorkomen als aangeboren afwijkingen, als gevolg van ongevallen of als leeftijdsgebonden degeneratieve ziekte. De meeste botdefecten kunnen niet spontaan worden hersteld door zelfgenezende mechanismen, wat leidt tot een dringende noodzaak om robuuste biomaterialen te ontwikkelen die botherstel in botonderzoek en botweefselengineering vergemakkelijken.

Bio-ingenieurs kunnen stamceldifferentiatie manipuleren om volwassen osteoblasten te vormen via geleide weefselregeneratie (GTR) op oppervlaktemembranen voor geoptimaliseerde, grootschalige botregeneratie. In materiaalkunde en geavanceerde functionele materialen, elektrospun-membranen hebben massale aandacht gekregen voor dergelijke strategieën voor geleide weefselmanipulatie vanwege verschillende biocompatibele voordelen, inclusief:

1. Biomimicry voor stamcelaanhechting
2. Groot oppervlak om celadhesie en groei te vergemakkelijken
3. Het vermogen om 3D-vezelmembranen te vormen en het osteogene potentieel van talrijke stamcellijnen (van muis, ratten en mensensoorten).

Materiaalwetenschappers classificeren synthetische GTR-materialen in twee hoofdcategorieën als (1) bioabsorbeerbare en (2) niet-absorbeerbare materialen; waar niet-resorbeerbare materialen na implantatie via een tweede operatie moeten worden verwijderd, waardoor de zorgkosten stijgen, terwijl nieuw gegenereerd weefsel wordt aangetast. In tegenstelling tot, biologisch afbreekbare membranen zoals polyvinylalcohol (PVA), poly (lactide-co-glycolide) (PLGA) of PCL hebben de voorkeur voor klinische implantaties, hoewel biologische complicaties hun klinische acceptatie ernstig hebben belemmerd.

In het huidige werk, daarom, Deng et al. gebruikte het bio-geïnspireerde adhesieve eiwit dat door mosselen wordt uitgescheiden als een 'materiaalonafhankelijke' en gemakkelijke oppervlaktecoating, engineeringstrategie gebaseerd op catecholchemie. Polydopamine (PDA) kan osteoblastische differentiatie van stamcellen op verschillende substraten vergemakkelijken als een coating van biomaterialen op nanoschaal, om mesenchymale stamcelaanhechting te ondersteunen en herprogrammering van menselijke somatische cellen te induceren. Hoe dan ook, PDA-nanolagen kunnen gemakkelijk van oppervlakken delamineren om lokale celapoptose of ontstekingsreacties als nadelige effecten te veroorzaken. Deng et al. specifieke experimentele stappen geïmplementeerd om de bestaande beperkingen te overwinnen en een nieuw biocompatibel en biologisch afbreekbaar membraan in het laboratorium te ontwikkelen. Het nieuw ontworpen biomateriaal of vezelig membraan zal een gunstige niche bieden om het lot van lokale stamcellen te sturen om osteoblasten te vormen voor botregeneratie.

Stap één:Engineering PDA-inclusief PCL (PDA/PCL) met elektrospinning

De wetenschappers gebruikten catechol-chemie voor de fabricage en synthese van PDA/PCL-vezelmembranen. Ze verspreidden de PDA-nanodeeltjes (NP's) uniform in PCL via continue sonicatie en vortexen om de vezelachtige membranen te vormen via elektrospinning. Deng et al. gebruikte een scanning elektronenmicroscoop (SEM) en observeerde oppervlakte-eigenschappen van de willekeurige, vezelig netwerk ter grootte van een micron. Ter vergelijking, de pure PCL electrospun membranen bleven glad, terwijl de integratie van PDA NP's de vezeloppervlakken ruw maakte. De wetenschappers bevestigden de nieuwe oppervlaktechemie met behulp van Raman-spectra en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) -analyse. De biomaterialen waren hydrofiel waardoor eiwitadsorptie en celhechting mogelijk waren. De onderzoekers voerden contacthoekmetingen uit om de bevochtigbaarheid van het oppervlak en verbeterde hydrofiliciteit na PDA-modificatie te verifiëren in vergelijking met de pure, ongemodificeerde PCL-membranen.

Stap twee:Onderzoek naar oppervlaktekarakterisering

Omdat bioactieve membranen kunnen integreren met omringend botweefsel (botweefsel), Deng et al. beoordeelde de vorming van botapatietlagen op het oppervlak van biomaterialen ondergedompeld in gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF) -oplossing. Na 7 dagen onderdompeling, de wetenschappers observeerden geclusterde nodulaire aggregaten op de PDA/PCL-membranen, die tegen dag 14 dramatisch toenam. het controlemonster van ongerepte ongemodificeerde PCL behield Ca-P-afzettingen na zeven dagen, met eilanden van apatiet op dag 14. Naarmate het PDA-gehalte toenam, daarom, de hoeveelheid apatiet die op het oppervlak werd afgezet nam toe. Deng et al. gebruikte de materiaalkarakteriseringsgegevens om verbeterde in vitro biologische activiteit van PDA/PCL-membranen te valideren in vergelijking met de pure PCL-controle.

Stap drie:Biofunctionaliseringsonderzoeken

De wetenschappers beoordeelden de cytocompatibiliteit (celbiocompatibiliteit) van de gemanipuleerde PDA/PCL-membranen ten opzichte van celadhesie, verspreiden, en proliferatie van menselijke mesenchymale stamcellen (hMSC's). De hMSC's bestaan ​​grotendeels in het beenmerg om weefselherstel tijdens letsel te ondersteunen. Na 6 uur celkweek, de hMSC's met ronde cellulaire vormen hechtten niet goed aan pure PCL, maar brachten filopodia tot expressie voor hechting aan het membraanoppervlak op drie varianten van PDA / PCL-membranen. Met behulp van celtelexperimenten en cellevensvatbaarheid CCK-8-assays, Deng et al. toonde aan dat de inhoud van PDA NP's het aantal levensvatbare cellen aan het oppervlak significant beïnvloedde, en waargenomen optimale oppervlakte-eigenschappen met de 2 procent PDA/PCL-groep in het werk.

Het onderzoeksteam heeft de optimale formule bepaald om PDA/PCL-membranen voor geleide botweefselregeneratie te ontwikkelen door de alkalische fosfatase (ALP) activiteit en calciummatrixproductie van hMSC's met Alizarin Red S (ARS) kleuring te bepalen. Celgroei en osteogene differentiatie waren laag wanneer de hoeveelheden PDA NP's hoog of laag waren, omdat lage concentraties geen celgroei veroorzaakten, terwijl hoge concentraties toxisch waren in het onderzoek.

Aangezien onderzoeken op moleculair niveau een krachtig hulpmiddel zijn in biomaterialen voor bio-engineering, Deng et al. onderzocht het samenspel tussen hMSC's en gemanipuleerde membranen met behulp van moleculaire hulpmiddelen. Voor deze, ze volgden de expressie van osteogenese-gerelateerde genen ALP, Runx2, Col1a1 en OPN in hMSC's gekweekt op de membranen. Na 7 dagen observeerden ze substantiële niveaus van ALP-genexpressie op het 2 procent PDA/PCL-monster.

Op dag 14, het niveau van het Runx2-gen tot expressie gebracht op 1 en 2 procent PDA/PCL-groepen overtrof significant de zuivere PCL-groep. Echter, tegen 21 dagen, de wetenschappers zagen geen waarneembaar verschil tussen de vier groepen. Ze verifieerden de waarnemingen met behulp van immunofluorescentiekleuring en kozen de 2 procent PDA/PCL-membranen voor optimale inductie van hMSC's om te differentiëren tot volwassen osteoblasten.

Stap vier:Translationeel onderzoek

Geleid door de gegevens van in vitro experimenten, Deng et al. onderzocht de in vivo biofunctionaliteit van het microvezelmembraan met behulp van een diermodel. Voor deze, ze creëerden botdefecten van kritische grootte op de schedels van muizen en plaatsten vezelachtige membranen om de defecten te bedekken, gevolgd door botvormingstesten met behulp van microcomputertomografie (micro-CT), histologische analyses en fluorescerende labeling; vier tot acht weken na implantatie.

Toen ze de 3D-beelden van de micro-CT-schedels onderzochten, het 2 procent PDA/PCL-membraan bood de grootste gebieden voor nieuwe botvorming, met aanzienlijke uitbreiding naar het centrum van het botdefect. De wetenschappers verkregen een hoger gehalte aan verkalkte matrix en botremodellering in de 2 procent PDA/PCL-membranen voor fenomenale osteoconductieve integratie.

De hematoxyline- en eosine (H&E) kleuring onthulde fibreus weefsel in de holtes van de PCL-groep, met relatief zichtbare botherstructurering in de 2 procent PDA/PCL-groep. De wetenschappers observeerden ook bot met overvloedige vascularisatie na 8 weken na de operatie in de 2 procent PDA/PCL-groepen. Ze voerden verdere kleuring uit met Masson, kleuring met toluidineblauw en immunohistochemie (IHC) om de vorming van nieuw bot en collageen diepgaand te identificeren. De gecombineerde histologische gegevens onthulden dat het gebruik van PDA NP's in gemanipuleerde fibreuze membranen de botregeneratie aanzienlijk stimuleert, ter ondersteuning van de hypothese dat in vitro osteodifferentiatie ook effectief was in vivo.

Op deze manier, Yi Deng en collega's ontwikkelden co-elektrospun PDA NP's met een bioinert synthetisch polymeer om bio-geïnspireerde, flexibele en osteopromotieve PDA/PCL-vezelmembranen voor toepassingen van botweefselengineering in de regeneratieve geneeskunde. De hoeveelheid PDA NP's in het composiet verbeterde de chemische samenstelling aanzienlijk, vezelgrootte en mechanische eigenschappen van de ontwikkelde membranen. Zowel in vitro-experimenten als in vivo-gegevens valideerden het vermogen tot nieuwe botvorming met 2 procent PDA/PCL-constructen vergeleken met pure PCL. De geconstrueerde PCL/PDA-membranen zijn osteoconductief en gemakkelijk te transplanteren met een groot potentieel voor GTR-toepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk