Los materiales bioinspirados imitan a sus contrapartes naturales para la funcionalidad característica en aplicaciones multidisciplinarias que forman un tema popular en el desarrollo de biomateriales. En ingeniería de tejido óseo, por ejemplo, los investigadores se centran en la arquitectura compuesta natural del hueso, diseñado orgánicamente a partir de estructuras complejas de colágeno mineralizado. Las construcciones de bioingeniería resultantes incluyen compuestos orgánicos / inorgánicos basados ​​en componentes óseos de mamíferos nativos tales como apatita carbonatada y colágeno. Sin embargo, La incorporación de micropartículas a las construcciones de materiales puede causar complicaciones durante la reabsorción in vivo prematura. debido a su naturaleza frágil.

En un estudio reciente, ahora publicado en Materiales biomédicos, Ciencia de la PIO , Christiane Heinemann y colaboradores en el Centro de Biomateriales y el Instituto de Ciencia de Materiales Max Bergmann en Alemania, nanoesferas aisladas diseñadas utilizando hidroxiapatita modificada orgánicamente (ormoHAP), para formar un andamio compuesto que se alinea con el trabajo anterior del mismo equipo de investigación. Heinemann y col. diseñó el nuevo biomaterial utilizando un proceso de doble migración de iones asistido por campo eléctrico e incrustó las nanoesferas así formadas, en la plantilla orgánica de gelatina espumada, para formar el andamio compuesto.

Los científicos probaron las tasas de biodegradación de los biomateriales para demostrar que se correlacionaban con el grado de reticulación (40%, 80%) transportados durante la preparación del andamio y con el contenido mineral de los andamios (0%, 20%, 40%). Utilizaron un modelo de cocultivo de células humanas de osteoblastos y osteoclastos derivados de células estromales de médula ósea y monocitos. para probar el impacto de los armazones de ormoHAP-gelatina en el crecimiento y la diferenciación celular durante un período de 42 días.

Los resultados confirmaron que ormoHAP incrustado en la matriz de gelatina mejoró la bioactividad de TRAP5b (fosfatasa ácida 5b resistente al tartrato); un grupo de enzimas sintetizadas en el hueso, seguido de un aumento de la actividad de la ALP (fosfatasa alcalina, un marcador de osteoblastos) y aumento de la expresión génica de BSPII (sialoproteína II ósea, que codifica una proteína estructural importante de la matriz ósea) en los osteoblastos. Los científicos propusieron una secuencia de interacciones de intercomunicación celular, debido a la presencia y concentración de ormoHAP en el material, explicar el comportamiento observado en co-cultivos celulares in vitro.

Los nanocristales de hidroxiapatita (HAP) se autoensamblaron en el entorno orgánico para formar aglomerados esféricos huecos en los experimentos, que los científicos primero caracterizaron en profundidad debido a su papel en la formación de los materiales sustitutivos óseos (BSM). Heinemann y col. eligió la gelatina como el material de la matriz del andamio subyacente debido a su compatibilidad con el proceso de formación de minerales asistido por campo eléctrico de nanoesferas, mientras que ambos componentes del compuesto (HAP y gelatina) mostraron citocompatibilidad durante las interacciones entre células y material, como se muestra en estudios previos in vitro.

La gelatina es un componente muy adecuado para formar materiales bioinspirados para la ingeniería de tejidos óseos, ya que es un producto de desnaturalización del colágeno, con abundante disponibilidad, procesabilidad, biodegradación y baja antigenicidad; adecuado para desarrollar nuevos biomateriales. Los científicos de materiales desarrollaron previamente construcciones similares como gelatina / alginato, gelatina / quitosano, andamios compuestos de gelatina / βTCP o gelatina / HAP, donde los compuestos mineralizados facilitaron la proliferación celular en comparación con los sustratos monofásicos. Los experimentos in vitro con co-cultivos de diversos tipos de células son más adecuados para probar biomateriales, ya que representan las condiciones naturales de interacción intercelular para simular la regeneración celular.

Para replicar con mayor precisión las condiciones. en vivo , Heinemann y col. co-cultivos previamente realizados sin suplementos con osteoblastos y osteoclastos para probar biomateriales durante la regeneración ósea asistida por material. El trabajo indicó el requisito de una diafonía equilibrada entre los osteoblastos formadores de hueso y los osteoclastos reabsorbentes de hueso, ya sea a través de factores solubles o por contacto directo célula-célula. para una remodelación ósea eficiente.

Por lo tanto, los científicos unificaron los resultados de muchos estudios previos en el presente trabajo, para determinar la formación de depósitos de matriz extracelular similares a tejido óseo guiados por el biomaterial subyacente. Heinemann y col. células del estroma de la médula ósea humana (hBMSC) cocultivadas con osteoblastos humanos (hOB), y monocitos humanos (hMc) con osteoclastos humanos (hOC), sin suplementos en andamios compuestos 3D (ormoHAP / Gelatin). Luego llevaron a cabo caracterizaciones (pruebas) del material celular para investigar la influencia de las nanoesferas HAP modificadas orgánicamente (ormoHAP) en el comportamiento celular y las interacciones en el laboratorio.

Los científicos diseñaron por primera vez una variedad de compuestos con ormoHAP incrustado en gelatina para crear múltiples andamios para experimentos de cultivo celular. seguido de probarlos con imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) para comprender la micro y nanoarquitectura del nuevo material. Observaron un patrón de superficie distinto en la matriz de gelatina debido a la distribución homogénea de ormoHAP. Heinemann y col. produjo una variedad de tales andamios estables en plantillas orgánicas de gelatina reticuladas químicamente y probó su comportamiento de degradación utilizando tampón (solución salina tamponada con fosfato, PBS) o medios de fluido corporal simulado (SBF) para imitar de cerca las condiciones biológicas in vivo en el laboratorio.

Los científicos determinaron los efectos del porcentaje de reticulación de gelatina y la concentración de ormoHAP sobre la bioactividad y degradación del nuevo material. con estudios comparativos. En estudios de degradación con SBF o PBS, los andamios con un menor grado de reticulación se degradaron mucho más rápido, que aquellos con mayor reticulación. Para el día 56, los científicos observaron niveles más altos de bioactividad en andamios con 20 por ciento de ormoHAP; determinado cuantificando los niveles de calcio unido a la superficie. Aunque una concentración del 40 por ciento de ormoHAP mostró resultados prometedores inicialmente, los valores de calcio unido a la superficie disminuyeron con el tiempo.

Durante los experimentos de co-cultivo, Heinemann et al. por lo tanto, comparó dos concentraciones diferentes de ormoHAP (20 por ciento y 40 por ciento), junto a andamios hechos de pura gelatina sola. Los científicos llevaron a cabo estratégicamente estudios de cultivo celular desde el día 14 hasta el día 28 y hasta el día 42, luego, utilizando el análisis de ADN, cuantificaron los núcleos celulares y calcularon la tasa de proliferación celular para evaluar el número total de células en las superficies del material, sin diferencias significativas observadas entre las superficies.

Cuantificaron la actividad de ALP, evaluar la diferenciación osteogénica en monocultivos y cocultivos, que disminuyó después de 14 días a medida que aumentaba la maduración celular. Para investigar la diferenciación de hMc a hOB en cocultivo, los científicos cuantificaron la actividad de TRAP5b, que aumentó notablemente con el aumento del contenido de ormoHAP en la composición del armazón para el crecimiento celular asistido por material. Sin embargo, para el día 42, las tasas de actividad enzimática disminuyeron debido a la vida útil limitada de las células de osteoclastos. Heinemann y col. A continuación, se llevaron a cabo imágenes de microscopía de barrido láser confocal (cLSM) para investigar las interacciones de co-cultivo en el andamio.

Observaron los co-cultivos celulares que mostraban el esqueleto de actina verde, núcleos de células azules utilizando fabricantes fluorescentes y utilizó un marcador de antígeno de superficie de glóbulos rojos (CD68) para detectar los monocitos (hMc). Usando imágenes microscópicas, los científicos observaron una morfología celular variable, desde la forma de un huso hasta la forma esférica, detallando cómo las células interactuaron con el nuevo material subyacente. Detectaron TRAP, como manchas de verde brillante, cada vez más concentrado dentro de las células a medida que aumentaban los niveles de ormoHAP en la superficie del material, para resaltar el efecto del crecimiento celular asistido por material. Heinemann y col. finalmente realizó un análisis de genes para determinar la regulación positiva de marcadores específicos relacionados con la diferenciación celular mediante la reacción cuantitativa en cadena de la polimerasa en tiempo real (qRT-PCR).

En particular, investigaron BSPII (proteína que codifica la matriz ósea), RANKL (receptor activador del ligando NF-κB) involucrado en el modelado / remodelado óseo y el fabricante de osteoclastos OSCAR (receptor similar a Ig asociado a osteoclastos) que reabsorbe el hueso, esencial para la homeostasis ósea. Los resultados indicaron la regulación al alza de BPSII y OSCAR, verificar la diferenciación celular asistida por material en el presente trabajo.

De este modo, Heinemann y col. interacciones material celular ampliamente caracterizadas para comprender el nuevo, materiales bioinspirados ormoHAP durante la biofuncionalización. Mostraron la influencia de la nueva geometría del andamio en las células de formación y reabsorción ósea, y sobre las interacciones intercelulares entre sí, utilizando el estudio de co-cultivo celular. Los resultados permitirán al científico lograr condiciones de producción optimizadas para mejorar aún más y desarrollar construcciones de materiales para la ingeniería de materiales bioinspirados. El aumento de la concentración de ormoHAP en los andamios estimuló la intercomunicación celular entre osteoblastos y osteoclastos como se evidencia con marcadores específicos de regulación positiva de genes, con implicaciones prometedoras para futuras investigaciones de los nuevos materiales en la ingeniería de tejidos óseos.

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