Los materiales como la poli (ε-caprolactona) se utilizan como andamios en la ingeniería de tejidos óseos, pero su hidrofobicidad inherente y la suavidad de la superficie pueden afectar la unión celular, proliferación y diferenciación en el laboratorio, o después de la implantación in vivo. Las modificaciones de la superficie que incluyen alteraciones químicas o la inmovilización de moléculas biológicamente activas en materiales pueden superar la hidrofobicidad intrínseca de la poli (ε-caprolactona) (PCL). En un estudio reciente, Los bioingenieros Yasaman Zamani y sus colegas investigaron un Superficie de material PCL impresa en 3D inmovilizada con péptido RGD (R:arginina, G:glicina, D:ácido aspártico). Los resultados del estudio se publican en Materiales biomédicos , Publicación de IOP.

Los grandes defectos óseos causados ​​por traumatismos o resección de tumores a menudo no pueden curarse mediante el proceso natural de regeneración ósea. El estándar de oro existente para el tratamiento clínico de tales defectos es el autotrasplante de hueso; donde se implanta tejido óseo extraído del mismo paciente en un sitio quirúrgico diferente en el sitio de la lesión o defecto. La técnica del autoinjerto está en desventaja debido al suministro limitado, la necesidad de múltiples cirugías, inmunodepresión del paciente relacionado con la edad y mayor tiempo de curación. Como resultado, La ingeniería de tejido óseo (BTE) se está convirtiendo rápidamente en una alternativa prometedora que elimina la necesidad de cirugías adicionales. Por diseño, BTE crea un andamio para sustituir temporalmente la matriz extracelular que rodea el sitio del defecto para ayudar a la regeneración tisular y la reparación ósea durante un tiempo específico. Las técnicas de primera generación de BTE no pueden controlar la porosidad, microarquitectura y geometría de andamios. La impresión tridimensional (3-D) se usa comúnmente en la actualidad para diseñar andamios para la ingeniería de tejidos con forma y arquitectura controladas.

El polímero más utilizado para la impresión de armazones óseos en 3D es PCL, debido a su baja temperatura de fusión y transición vítrea para un fácil procesamiento. Los polímeros tienen un carácter mecánico excelente adecuado para andamios de reemplazo óseo y están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. Sin embargo, para aplicaciones de siembra de células en BTE, Los polímeros PCL impresos en 3-D requieren modificación de la superficie, ya que la hidrofobicidad inherente y la falta de sitios de reconocimiento biológico ligados a la superficie limitan la biocompatibilidad de la superficie. Por lo tanto, se implementa una gama de técnicas de modificación de superficie BTE existentes como físicas, métodos químicos y biológicos. Por ejemplo, La hidrólisis de PCL por hidróxido de sodio (NaOH) es una técnica química que puede aumentar la hidrofilicidad (naturaleza amante del agua) de PCL mediante la creación de grupos carboxilo e hidroxilo de superficie para mejorar la unión celular.

La inmovilización del péptido RGD en superficies de PCL también podría ayudar a las células a unirse y crecer en superficies modificadas. En este caso, la unión del material celular se atribuyó a las integrinas; un grupo de proteínas de la superficie celular que median la unión celular a moléculas de adhesión específicas y, por lo tanto, reconocen la secuencia RGD en la superficie de un sustrato. Si bien se estudiaron ampliamente los efectos de la modificación de la superficie sobre las propiedades de los biomateriales y las respuestas celulares, los resultados no son aplicables a todos los tipos de andamios. Más importante, Aún quedan por realizar experimentos para comprender cuál de estas modificaciones de superficie es más eficaz para la proliferación de células preosteoblásticas y la actividad osteogénica en un andamio impreso en 3-D. Zamani y col. por lo tanto, investigó las superficies de armazón de PCL impresas en 3D modificadas por tratamiento alcalino con NaOH o por inmovilización de RGD para comprender la respuesta celular en la construcción del material.

En el estudio, Los investigadores realizaron experimentos de biofuncionalización con preosteoblastos de calvaria murinos (MC3T3-E1) para evaluar la respuesta osteogénica en superficies 3D modificadas para BTE. La modificación química de la superficie se logró usando un tratamiento con NaOH durante 24 horas o 72 horas (concentración 3 M), que cambió la topografía de la superficie de una superficie lisa a una estructura en forma de panal. Para inmovilización RGD, las superficies se incubaron con 600 µl de RGD (0,125 mg / ml). En breve, durante un período de tiempo de 1 a 14 días de cultivo celular, Se observó un aumento de la deposición de matriz de colágeno en los armazones tratados con NaOH e inmovilizados con RGD en comparación con los controles no modificados. Las superficies químicamente modificadas mostraron una mayor actividad de fosfatasa alcalina, crucial para el desarrollo óseo. Los investigadores observaron que las superficies tratadas con NaOH durante 24 horas óptimas mejoraron la mineralización en comparación con los controles no modificados.

Los investigadores utilizaron un descubrimiento 3-D ^TM bioimpresora para imprimir los andamios. El material PCL de grado médico se fundió en el tanque de calentamiento y se extendió a través de una aguja precalentada, las hebras de PCL se trazaron capa por capa para crear 36 andamios cúbicos. Los diferentes andamios de PCL con y sin modificaciones de superficie se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). El cultivo celular se realizó con preosteoblastos MC3T3-E1 sobre los diferentes materiales de interés para observar y cuantificar parámetros de proliferación celular, diferenciación, deposición de matriz de colágeno, Actividad de fosfatasa alcalina y deposición de calcio de 1 a 14 días. Las superficies tratadas con NaOH tanto de 24 horas como de 72 horas mostraron una topografía de superficie similar a un panal, pero la inmovilización RGD no cambió de manera similar la topografía de la superficie. Los preosteoblastos cultivados eran ligeramente esféricos en los andamios de PCL sin modificar, lo que indica hidrofobicidad de la superficie. en comparación, las células se esparcieron bien en los armazones tratados con NaOH durante 24 horas e inmovilizados con RGD debido a la hidrofilicidad de la superficie y al reconocimiento de la superficie celular.

La deposición de colágeno sobre las superficies modificadas / no modificadas cultivadas con células se observó con tinción con rojo picrosirius usando microscopía óptica el día 14. La intensidad cuantificada del rojo fue mayor para los armazones tratados con NaOH de 24 horas e inmovilizados con RGD en comparación con los controles. Adicionalmente, en comparación con los andamios de NaOH, las superficies modificadas con RGD mostraron una deposición de colágeno significativamente mayor. Se observó deposición de calcio con construcciones de armazón teñidas con rojo de alizarina usando imágenes ópticas. Se observó más tinción roja en los armazones tratados con NaOH para indicar comparativamente más deposición de calcio. Similar, La actividad de ALP fue comparativamente más alta en los armazones tratados con NaOH durante 24 horas. Curiosamente, El tratamiento con NaOH durante 72 horas no aumentó la actividad de ALP en comparación con los controles no modificados.

Según los resultados iniciales, los parámetros de modificación de la superficie se refinaron en el estudio para incluir una inmovilización RGD óptima (andamio de 0,011 µg / ml) y un tratamiento con NaOH de 24 horas para diseñar químicamente los andamios PCL impresos en 3-D. El estudio mostró colectivamente una diferenciación osteogénica mejorada en armazones tratados con NaOH durante 24 horas en comparación con armazones inmovilizados con RGD in vitro. Los resultados sugirieron que el tratamiento químico de los andamios de PCL 3-D con NaOH 3M puede ser más prometedor para los estudios de regeneración ósea in vivo en comparación con la inmovilización RGD. por lo tanto. La modificación de la superficie debido a la introducción de grupos hidroxilo y carboxilo funcionales mediante el tratamiento con NaOH aumentó la hidrofilicidad y la biocompatibilidad. Por otra parte, la inmovilización de RGD en PCL facilitó la unión y la proliferación celular debido a los sitios de reconocimiento celular, lo que indica que ambas condiciones eran favorables inicialmente para la unión y proliferación preosteoblástica in vitro.

Una inmersión más prolongada durante el tratamiento con NaOH (72 horas) no fue favorable ya que el aumento de la degradación de la superficie condujo a una mayor rugosidad a microescala que impidió interacciones adecuadas entre célula y célula y / o célula-matriz. Los resultados indicaron que la escala de tiempo para lograr una topología superficial óptima (rugosidad y rigidez de la superficie en este caso) para la diferenciación osteogénica directa fue de 24 horas de tratamiento con NaOH. La citocompatibilidad se reiteró con la actividad de ALP y los estudios de deposición de calcio para mostrar una mejor diferenciación osteogénica en andamios tratados con NaOH de 24 horas en comparación con otros grupos. indicando su idoneidad para estudios adicionales en la formación de hueso con células osteogénicas.

De este modo, a través de extensos experimentos, Zamani et al demostraron que las construcciones tridimensionales tratadas con NaOH durante 24 horas aumentaron la proliferación preosteoblástica y la deposición de la matriz junto con una mayor actividad osteogénica en BTE. El estudio demostró el potencial de la modificación optimizada de la superficie del material para promover la formación de hueso en el laboratorio al facilitar el crecimiento y la diferenciación de las células osteogénicas.

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