La compleja arquitectura del hueso es difícil de recrear en el laboratorio. Por lo tanto, Los avances en la ingeniería del tejido óseo (BTE) tienen como objetivo construir injertos específicos para el paciente que ayuden a la reparación ósea y activen vías de señalización celular específicas. Los científicos de materiales en medicina regenerativa y BTE desarrollan progresivamente nuevos materiales para la reparación biológica activa en un sitio de defecto después de la implantación para acelerar la curación mediante biomimetismo óseo.

El inicio rápido de la formación de hueso nuevo en el lugar de la implantación es una característica muy deseable en BTE, y los científicos se centran en fabricar injertos que fortalecen la interfaz material-hueso después de la implantación. El vidrio bioactivo puede unirse al hueso minutos después del injerto, y fibroína de seda, una proteína fibrosa natural tiene el potencial de inducir la regeneración ósea. Los materiales híbridos que explotan estas propiedades pueden combinar el potencial osteogénico y la capacidad de carga para aplicaciones potenciales en modelos de defectos óseos de gran carga.

En un estudio reciente, Swati Midha y sus colaboradores desarrollaron una nueva construcción híbrida 3-D utilizando tintas a base de seda con diferentes composiciones de vidrio bioactivo integradas para recrear un microambiente óseo mimético que respalda la diferenciación osteogénica de las líneas de células madre mesenquimales de la médula ósea (BMSC) en el laboratorio. Ahora publicado en Materiales biomédicos , Ciencia de la PIO, los científicos utilizaron instrumentos de escritura directa para producir los andamios de fibra de seda, gelatina y vidrio bioactivo (SF-G-BG). Los resultados proporcionaron señales adecuadas para regular el desarrollo de construcciones óseas humanas 3D personalizadas in vitro.

Los autores exploraron dos composiciones de vidrio bioactivo (con y sin estroncio) arraigadas en matrices a base de seda. El trabajo investigó (1) las propiedades mecánicas de los compuestos híbridos por su potencial como tintas para andamios de impresión 3D, seguido de (2) el potencial osteogénico de tales matrices impresas en 3D a base de tinta SF-G-BG, y (3) los mecanismos de señalización subyacentes responsables de la diferenciación ósea en construcciones impresas en 3D.

La tinta se creó utilizando vidrio derivado de la fusión, y tras una serie de optimizaciones con diferentes concentraciones, Se hicieron posibles los compuestos SF-G-BG optimizados para la capacidad de impresión y la citocompatibilidad. Después de imprimir, los armazones 3-D SF-G-BG se incubaron en etanol al 80 por ciento para inducir cambios conformacionales en la proteína de seda constituyente.

Las propiedades físico-químicas de los materiales se probaron con FTIR y se utilizó espectrometría de masas de plasma acoplado inductivo para controlar el perfil de liberación de iones de los vidrios bioactivos dentro de la fibroína de seda. Se cultivaron células madre mesenquimales en los materiales para comprender los mecanismos de diferenciación celular.

Típicamente, La diferenciación osteogénica en matrices basadas en seda se asocia con la activación de la vía de señalización Wnt / β, mientras que el vidrio bioactivo activa un conjunto diferente de vías de señalización osteogénicas. Por lo tanto, los autores investigaron si estos mecanismos de diferenciación celular eran independientes entre sí o si la intercomunicación entre ellos conducía a la inducción de un nuevo conjunto de genes para regular la formación de hueso en las construcciones híbridas.

Estudios moleculares en profundidad mostraron que las construcciones SF-G-BG que contienen estroncio (Sr) tenían una diferenciación osteogénica superior al conducir las células madre mesenquimales hacia fenotipos osteoblásticos y osteocíticos dentro de los 21 días posteriores al cultivo celular. Después de eso, los autores probaron la regulación positiva de seis genes de interés para investigar la diferenciación osteoblástica, incluyendo la expresión del factor de transcripción relacionado con Runt (Runx2), un gen maestro que desencadena el inicio de la expresión osteogénica al principio del ciclo de diferenciación celular, para disminuir gradualmente el día 7 como se observó en el estudio.

Similar, los autores probaron la regulación positiva de tres genes específicos expresados ​​durante la diferenciación osteocítica. Seguido de estudios para detectar la liberación iónica del vidrio bioactivo en construcciones de tinta de gelatina de seda que desencadenan la proteína morfogenética ósea 2 BMP-2, proteína morfogenética ósea 4 BMP-4 y vías de señalización de células IHH de erizo indio que son críticas para regular la formación de hueso in vivo. Las pruebas de ontología genética también determinaron la red de genes asociados durante la diferenciación osteogénica de BMSC en construcciones SF-G-BG impresas en 3D.

Se detectó que la mayoría de las células sobrevivían en los materiales compuestos, confirmando que la composición de SF-G-BG apoyó la viabilidad de las células madre. Las superficies del material celular se observaron con microscopía electrónica de barrido (SEM) para visualizar la morfología celular y la tinción inmunohistoquímica para visualizar la osteogénesis con anticuerpos específicos. Los estudios genéticos indicaron que el vidrio bioactivo con andamios de fibroína de seda incrustada en Sr forma sinérgicamente las vías de señalización de BMSC reguladas al alza para mejorar la diferenciación y la maduración, activar específicamente las principales vías de señalización (BMP-2, BMP-4 e IHH) fundamentales para regular la formación de hueso in vivo. Los resultados respaldan más investigaciones en un modelo animal preclínico antes de diseñar injertos óseos 3-D SF-G-BG específicos para el paciente en el laboratorio.

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