In een nieuwe studie gepubliceerd op Wetenschappelijke rapporten , Mohammad-Hossein Beigi en een onderzoeksteam van de afdelingen Engineering and Applied Science en Cellular Biotechnology in Canada en Iran hebben een nieuwe methode beschreven om biocompatibele biomaterialen te vormen voor botweefselengineering. Ze ontwikkelden webachtige, driedimensionale (3-D) Titania nanovezelcoatings met behulp van laser-geïnduceerde omgekeerde overdracht met hoge intensiteit (HILIRT). Het team demonstreerde eerst het mechanisme van ablatie en titanium (Ti)-afzetting op glassubstraten met behulp van meerdere picoseconde laserpulsen in omgevingslucht om theoretische voorspellingen te vergelijken met experimentele resultaten. Ze onderzochten de prestaties van glasmonsters die zijn ontwikkeld door titanium nanovezelstructuren te coaten door middel van verschillende laserpulsduur, met behulp van methoden zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM).

Om de interacties tussen het nieuwe materiaaloppervlak en biologische cellen te begrijpen, Beigi et al. onderzocht interacties van menselijke bot-afgeleide mesenchymale stamcellen (BMSC's) gekweekt op de nieuwe biomaterialen. Voor deze, ze gebruikten een verscheidenheid aan in-lab-tests, waaronder een colorimetrische methode om de metabolische activiteit van cellen te begrijpen (MTS-assay), immunocytochemie, eiwitadsorptie- en absorptieanalyses. De resultaten toonden een significant verbeterde biocompatibiliteit in met laser behandelde monsters in vergelijking met onbehandelde substraten. Beigi et al. wijzigden hun HILIRT-techniek door de pulsduur te verkorten en titanium nanovezels met dichtere structuren te genereren tijdens geavanceerde materiaaltechnologie. Volgens hun bevindingen de dichtheid van nanostructuren en de concentratie van gecoate nanovezels speelden een cruciale rol bij het genereren van bioactiviteit in de behandelde monsters door vroege differentiatie van BMSC's (botafgeleide mesenchymale stamcellen) te induceren om botweefsel te vormen via osteogene differentiatie (botvorming).

Bio-ingenieurs ontwikkelen snel nieuwe technieken voor botweefselengineering (BTE) voor botregeneratie; om de bestaande "gouden standaarden" van bot-autograft- en allograft-methoden in de regeneratieve geneeskunde te verbeteren. Nadelen van de bestaande technieken zijn onder meer morbiditeit op de donorplaats en beperkte voedingssupplementen tijdens botregeneratie. Bone tissue engineering (BTE) is een veelbelovende onderzoeksrichting om botgroei en -herstel te vergemakkelijken, zelfs bij grootschalige skeletafwijkingen. Onderzoekers streven ernaar om stamcellen met AHO te gebruiken vanwege hun zelfvernieuwende mogelijkheden naast stamceldifferentiatie, om verschillende weefseltypes te vormen. Aangezien de fysische en chemische eigenschappen van een materiaaloppervlak de levensvatbaarheid van menselijke mesenchymale stamcellen (hMSC's) voor zelfherstel kunnen beïnvloeden, differentiatie en proliferatie. Materialen en cellen kunnen daarom samenwerken in toepassingen van AHO om een ​​gewenst platform te bieden voor osseo-integratie tijdens botremodellering.

Onderzoeksteams hadden eerder verschillende technieken gebruikt om AHO-materiaaloppervlakken te produceren, waaronder sol-gel, hydrothermisch 106, elektrospinnen en 3D-printen; echter, het kiezen van een ideale methode blijft een uitdaging. Bijvoorbeeld, kunstmatige biomaterialen moeten moeiteloos interageren met fysiologische vloeistoffen en assimileren met harde en zachte omringende weefsels om cellulaire activiteit te behouden voor superieure biocompatibiliteit. Materiaalwetenschappers en bio-ingenieurs hadden titanium en zijn legeringen gebruikt voor orthopedische implantaten, waardoor op titanium nanodeeltjes (NP) gebaseerde osteogenese van tandpulpstamcellen en van vetweefsel afgeleide stamcellen mogelijk wordt. Methoden voor het modificeren van laseroppervlakken kunnen materiaaloppervlakken wijzigen voor verbeterde biocompatibiliteit van het oppervlak; waar de HILIRT-methode eerder potentieel had getoond om lab-on-a-chip-componenten en andere biocompatibele biomaterialen te ontwikkelen. Wetenschappers kunnen laserparameters wijzigen om materiaaloppervlakken te manipuleren om celdifferentiatie te ondersteunen.

In het huidige werk, Beigi et al. onderzocht effecten van laserpulsduur op materiaaloppervlakken met behulp van de HILIRT-methode en testte het biologische gedrag van synthetische biomaterialen met behulp van materiaalkarakterisering en biologische tests in het laboratorium. Ze onderzochten cel-materiaal contact op materiële oppervlakken met behulp van genexpressie, mineralisatie en eiwitinteractiestudies. De wetenschappers ontwikkelden een nanovezelachtige titania (NFTi) dunne film en dompelden deze in gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF) om hydroxyapatiet (HA)-achtige laagstructuren te vormen en identificeerden de materiële oppervlaktemodificaties met behulp van de watercontacthoek (CA), scanning elektronenmicroscopie (SEM), energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) analyse, micro-Raman en röntgendiffractie (XRD) spectroscopieën.

They deposited NFTi (nanofibrous titania) structures at different pulse durations to form laser nanofiber coated smooth surfaces and tested the chemical and physical composition of the resulting advanced materials. When they decreased pulse duration, the titanium weight percentage increased, and the scientists observed the temperature of the irradiated zone to be significantly higher for a shorter pulse duration of 150 picoseconds (ps) compared with 5 nanoseconds (ns) and 30 ns. The decreased pulse duration transmitted power to the target in a shorter time, causing the heat affected zone (HAZ) to have a higher temperature, allowing a denser plasma plume to form more NFTi structures on a glass substrate. Decreasing the laser pulse duration created more biocompatible Ti nanofibers with a higher content of HA(hydroxyapatite)-like substance sedimentation on the samples.

Using phase-contrast microscopy images of fibroblast-like BMSCs on titania-coated glass surfaces, Beigi et al. observed normal cell morphology. They measured water contact angles of droplets of water on the material specimens and conducted cytotoxicity tests with MTS assays on stem cells grown on NFTi coatings. The materials coated with NFTi for 150 ps showed the highest absorbance rate (known as the S1 group) with subsequently high rates of cell viability, cell adhesion and metabolic activity. When the researchers used immunofluorescent staining to observe cell migration, the S1 sample (with NFTi coating for 150 ps) showed higher rates of cell migration. To confirm stem cell (BMSC) differentiation, the scientists investigated osteogenic-related gene expression with RUNX2, collagen I, osteopontin and osteonectin genes, using quantitative qRT-PCR. Onder de monsters, S1 samples indicated significantly higher relative expression for all osteogenic-related genes.

To confirm mineralization, the scientists used alizarin red followed by soluble Ca nodules color absorbance quantification, to observe high levels of mineralization on all samples on days seven and 14. The team investigated surface protein absorption potential, protein-ion biocomplex formation and biocomplex cell uptake to demonstrate highest levels of protein-ion biocomplex formation on the S1 samples.

Op deze manier, Mohammad-Hossein Beigi and colleagues used the HILIRT method to achieve high surface bioreactivity, osteogenesis and osseointregration of NFTi-BMSCs. The surface character of the new materials allowed protein and biomolecule interactions to stimulate cell adhesion, mineralization and osteogenesis for faster and more suited osseointegration in vivo and in vitro. The scientists engineered nanofiber mesh-like scaffolds using titanate to allow vascularization, protein attachment, cell proliferation and cell attachment on the substrate. Such microporous surfaces can promote nutrition diffusion, vascularization and blood flow due to improved biomechanical strength. In aanvulling, the hydrophilic surface property; verified using water contact angle measurements, facilitated cell-ECM adhesion to improve cell binding and vigorous tissue growth.

The S1 sample (NFTi, 150 ps) developed in this work generated the best surface bioreactivity for bone regeneration or bone replacement. Beigi et al. showed the advantages of using titania as an orthopedic implant material and the surface modification strategies implemented in the study improved surface bioreactivity and osteogenesis for assisted bone tissue development. The cost-effective frugal method can provide a metallic nanofiber structure surface to be coated on multiple surfaces for varied biomedical applications. The proposed technique (combining materials engineering with stem cells) will open new doors to engineer advanced biomaterials with enhanced surface bioreactivity for improved biocompatibility in vitro and in vivo. The findings demonstrate beneficial effects of an experimental scaffold in the lab with potential for medical osseointegration as a BTE implant.

© 2019 Wetenschap X Netwerk