Ilustración de los materiales multifuncionales desarrollados experimentalmente en el estudio para aplicaciones in vivo de proliferación celular y craneoplastia. La curación del defecto en un modelo de roedor se observa después de 12 semanas de implantación del andamio en el sitio del defecto con proliferación celular. radiografía, análisis de micro-TC e histología. Crédito de la imagen:ACS Applied Materials &Interfaces. Crédito: Materiales multifuncionales , doi:https://doi.org/10.1088/2399-7532/aafc5b
Los avances en la ciencia de los materiales y la tecnología de producción han permitido estrategias de ingeniería de tejido óseo (BTE) que generan andamios complejos con arquitectura controlada para la reparación ósea. Los nuevos biomateriales se pueden funcionalizar aún más con moléculas bioactivas para la biocompatibilidad mejorando la osteoinductividad (inducir la osteogénesis para iniciar la curación ósea). En un estudio reciente publicado en Materiales multifuncionales, Ciencia de la PIO , Arun Kumar Teotia y colaboradores de los Departamentos de bioingeniería, ortopedía, ingeniería química e ingeniería biomédica, En India, Finlandia y Suecia desarrollaron una novela, multifuncional andamio compuesto de dos capas (BCS). El nuevo material contenía nanocemento cerámico (NC) y el andamio compuesto macroporoso (CG) para imitar la arquitectura ósea durante la reparación ósea.
Para funcionalizar los andamios, los científicos de materiales agregaron proteína morfogenética ósea humana recombinante-2 (rhBMP-2) (BMP) y ácido zoledrónico (ZA). Los científicos propusieron que los andamios compuestos apoyarían la proliferación de células progenitoras de osteoblastos, junto con la liberación controlada de moléculas bioactivas cargadas para inducir la regeneración ósea. Los científicos del mismo equipo de investigación habían desarrollado previamente un material multifuncional similar para probar su impacto inicial durante un estudio piloto in vivo.
En el presente estudio, Teotia et al. observaron una mayor cantidad de tejido mineralizado (MT) con andamios funcionalizados dentro de las 12 semanas de la implantación in vivo en un grupo más grande de ratas con defectos craneales críticos de 8,5 mm. Los andamios compuestos bicapa combinados (BCS) funcionalizados con ácido zoledrónico (ZA) (para formar BCS + ZA) contenían la deposición de MT más alta (13,9 mm 3 ). Seguido del andamio compuesto macroporoso (CG) funcionalizado con BMP y ZA (CG + BMP + ZA) a 9.2 mm 3 y BCS + ZA + BMP con 7,6 mm 3 de deposición de MT.
Los valores de MT registrados en el estudio durante la regeneración ósea fueron significativamente más altos que las tasas de osteogénesis en los andamios CG o BCS no funcionalizados solos (sin moléculas bioactivas). Los resultados respaldaron las estrategias de BTE desarrolladas en el estudio para formar un andamio multifuncional osteo-promotor que podría implantarse in vivo para reparar defectos críticos.
Una característica única del tejido óseo es su capacidad de curar sin la formación de cicatrices como tejido altamente dinámico con un potencial sustancial de regeneración. La formación ósea natural se produce a través de la osificación endocondral dentro de los huesos tubulares (p. Ej., Falanges, fémur) o durante la deposición de cartílago, seguido de osificación. En un tercer proceso, La osificación directa intramembranosa puede ocurrir en huesos planos (cráneo, pelvis) sin formación de cartílago. La regeneración es un proceso lento en huesos planos (cráneo, pelvis) debido a la limitación de células madre mesenquimales (MSC), requiriendo un gran reclutamiento de células del periostio o la duramadre.
Como resultado, curar defectos de tamaño crítico en huesos planos, como el cráneo es un desafío que requiere estrategias BTE optimizadas. Los colgajos de hueso de autoinjerto se prefirieron al principio para la craneoplastia para minimizar las reacciones inmunológicas, infecciones y reconocimiento de cuerpos extraños. Después de eso, Los científicos desarrollaron injertos de hueso de calota vascularizados como una opción preferida para la reconstrucción craneal en estudios adicionales. Sin embargo, las estrategias de injerto asociadas introdujeron complicaciones durante la reabsorción del material después de la implantación y reparación, junto con otras complicaciones clínicas en el lugar de contacto entre el implante y el hueso original. La regeneración y la infiltración celular en un colgajo de calota depende en gran medida de las células progenitoras que pueden migrar desde la duramadre subyacente o las capas pericraneales suprayacentes. para diferenciarse en células osteogénicas activas para la curación. Si la migración celular se ocluye de las dos membranas (dura y pericráneo), la formación de hueso sería significativamente menor.
Los científicos ya habían determinado que las dos membranas eran importantes para desempeñar un papel específico durante la regeneración, aunque con la edad el papel del periostio en la regeneración del cráneo es menos significativo. En el presente estudio, Teotia et al. desarrollaron la hipótesis de que una superficie osteoconductora podría mantener la diafonía entre la duramadre y las capas pericraneales para una vascularización temprana y un éxito clínico. Para lograr esto, generaron una arquitectura de andamio bicapa que integró un nanocemento cerámico (NC) de nano-hidroxiapatita-sulfato de calcio bifásico reabsorbible en la capa superior y un criogel poroso (CG) compuesto de seda-biovidrio-hidroxiapatita como capa subyacente.
Teotia et al. utilizó el diseño de dos capas para integrar la resistencia mecánica de NC como una capa superior protectora y la capa CG compuesta porosa como una superficie para la unión de la celda, infiltración, proliferación y vascularización. Los científicos esperaban que las superficies diseñadas mantuvieran la comunicación entre la duramadre subyacente y las membranas periósticas suprayacentes. Funcionalizaron los nuevos materiales y los implantaron in vivo en ratas Wistar con defectos craneales críticos para evaluar el efecto de la arquitectura porosa de dos capas sobre la osteoconducción y la formación ósea en pacientes preclínicos, estudios traslacionales.
Durante la fabricación de materiales, los científicos moldearon el NC en una arquitectura de forma cóncava-convexa para que coincidiera con la forma del cráneo y permitieron que se solidificara, para diseñar andamios multifuncionales de dos capas para craneoplastia. Formaron discos circulares BCS compuestos de NC superior e inferior CG y realizaron procedimientos quirúrgicos en los modelos animales. Durante la cirugía, Teotia et al. implantó los discos de andamio en el sitio del defecto y realizó micro-TC ex vivo y análisis radiológico en el calvario extirpado y cosechado después de sacrificar los modelos animales, 12 semanas después de la implantación del disco.
Los científicos completaron análisis radiológicos de la formación ósea en el sitio del defecto para observar la formación de tejido osificado, utilizando el escáner nanoScan in vivo para proyecciones radiográficas del defecto. Utilizaron análisis de micro-TC para detectar la formación de tejido altamente mineralizado (MT) e investigar el relleno del defecto en el defecto circular inducido quirúrgicamente de 8,5 mm (región de interés). A las 12 semanas, la mineralización no logró un cierre perfecto en el modelo animal. Los científicos utilizaron software de cuantificación de imágenes para mostrar la mayor cantidad de formación de tejido mineralizado en el grupo BCS + ZA. seguido del grupo CG + ZA + BMP, seguido de los grupos CG + ZA + BMP y BCS + ZA + BMP.
Post-cosecha, los científicos fijaron las muestras de cráneo para el análisis histológico y realizaron tinción con hematoxilina y eosina (H&E) y tricrómico de Masson en las calvas de ratas. Demostraron que tanto el andamio compuesto poroso (CG) como el andamio bicapa (NC + GC) (BCS) se integraron bien con el hueso existente en el sitio del defecto. Los andamios proporcionaron superficies porosas para una infiltración celular completa. Teotia et al. también mostró que los andamios funcionalizados tenían una formación de MT consistentemente más alta a través de ensayos histológicos debido a la presencia de factores osteoconductores y osteoinductores en el compuesto de moléculas bioactivas en comparación con los grupos no funcionalizados. Los resultados histológicos fueron consistentes con los resultados de micro-CT en el estudio.
De este modo, Teotia et al. mostró que los andamios compuestos multifuncionales podrían reemplazar a los autoinjertos o aloinjertos de gran tamaño, defectos óseos en el cráneo. Demostraron que los materiales multifuncionales podían inducir una vascularización temprana y mejorar la mineralización in vivo. Como se esperaba, los armazones compuestos permitieron una comunicación osteoconductora porosa entre la infiltración celular temprana del periostio y las capas de dura subyacentes durante la formación rápida de hueso. Los materiales multifuncionales prometen mejorar la mineralización ósea y la curación temprana de defectos después de la implantación. Teotia et al. proponen realizar estudios adicionales en grandes modelos animales preclínicos para optimizar y traducir el nuevo biomaterial para aplicaciones clínicas.
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