Engenharia de biomateriais híbridos avançados usando software de impressão 3D personalizado. Crédito:RoboCAD, Tintas 3D, LLC, doi:10.1088 / 1748-605X / aad2a9
A complexa arquitetura do osso é desafiadora para recriar em laboratório. Portanto, avanços na engenharia de tecido ósseo (BTE) visam construir enxertos específicos do paciente que auxiliam no reparo ósseo e desencadeiam vias de sinalização celular específicas. Cientistas de materiais em medicina regenerativa e BTE desenvolvem progressivamente novos materiais para reparo biológico ativo em um local de pós-implantação de defeito para acelerar a cura por meio da biomimética óssea.
O início rápido da formação de novo osso no local de implantação é uma característica altamente desejável no BTE, e os cientistas estão focados na fabricação de enxertos que fortalecem a interface material-osso após a implantação. O vidro bioativo pode se ligar ao osso minutos após a enxertia, e fibroína de seda, uma proteína fibrosa natural tem potencial para induzir a regeneração óssea. Materiais híbridos que exploram essas propriedades podem combinar o potencial osteogênico e a capacidade de suporte de carga para aplicações potenciais em modelos de defeitos ósseos de grande carga.
Em um estudo recente, Swati Midha e colegas de trabalho desenvolveram uma nova construção híbrida 3-D usando tintas à base de seda com diferentes composições de vidro bioativo integradas para recriar um microambiente ósseo mimético que suporta a diferenciação osteogênica de linhas de células-tronco mesenquimais da medula óssea (BMSC) no laboratório. Agora publicado em Materiais Biomédicos , IOP Science, os cientistas usaram instrumentos de escrita direta para produzir os andaimes de vidro bioativo de fibroína-gelatina de seda (SF-G-BG). Os resultados forneceram pistas adequadas para regular o desenvolvimento de construções ósseas humanas 3-D personalizadas in vitro.
Os autores exploraram duas composições de vidro bioativo (com e sem estrôncio) enraizadas em matrizes à base de seda. O trabalho investigou (1) as propriedades mecânicas de compósitos híbridos por seu potencial como tintas para andaimes de impressão 3-D, seguido por (2) o potencial osteogênico de tais matrizes impressas 3-D baseadas em tinta SF-G-BG, e (3) os mecanismos de sinalização subjacentes responsáveis pela diferenciação óssea em construções impressas 3-D.
A tinta foi criada usando vidro derivado de fusão, e após uma série de otimizações com diferentes concentrações, Compostos SF-G-BG otimizados para impressão e citocompatibilidade tornaram-se possíveis. Após a impressão, os andaimes 3-D SF-G-BG foram incubados em 80 por cento de etanol para induzir mudanças conformacionais na proteína de seda constituinte.
A configuração de impressão 3D - um instrumento de gravação direta baseado em estágio de três eixos com uma ou mais bombas de seringa para dispensar tintas com precisão em um padrão controlado e construir estruturas 3D projetadas com um software personalizado. Crédito:RoboCAD, Tintas 3D, LLC, doi:10.1088 / 1748-605X / aad2a9
As propriedades físico-químicas dos materiais foram testadas com FTIR e espectrometria de massa com plasma acoplado indutivo usado para monitorar o perfil de liberação de íons de vidros bioativos dentro da fibroína de seda. As células-tronco mesenquimais foram cultivadas nos materiais para compreender os mecanismos de diferenciação celular.
Tipicamente, A diferenciação osteogênica em matrizes à base de seda está associada à ativação da via de sinalização Wnt / β, enquanto o vidro bioativo ativa um conjunto diferente de vias de sinalização osteogênica. Portanto, os autores investigaram se esses mecanismos de diferenciação celular eram independentes uns dos outros ou se a conversa cruzada entre eles levou à indução de um novo conjunto de genes para regular a formação óssea nas construções híbridas.
Estudos moleculares aprofundados mostraram que os construtos SF-G-BG contendo estrôncio (Sr) tinham diferenciação osteogênica superior ao direcionar as células-tronco mesenquimais em direção aos fenótipos osteoblásticos e osteocíticos dentro de 21 dias de cultura celular. Depois disso, os autores testaram a regulação positiva de seis genes de interesse para investigar a diferenciação osteoblástica, incluindo a expressão do fator de transcrição relacionado a Runt (Runx2), um gene mestre que desencadeia o início da expressão osteogênica no início do ciclo de diferenciação celular, diminuir gradualmente no dia 7, conforme observado no estudo.
De forma similar, os autores testaram a regulação positiva de três genes específicos expressos durante a diferenciação osteocítica. Seguido por estudos para detectar a liberação iônica de vidro bioativo em construções de tinta de gelatina de seda que ativam a proteína morfogenética óssea 2 BMP-2, proteína morfogenética óssea 4 BMP-4 e vias de sinalização das células Indian hedgehog IHH que são críticas para regular a formação óssea in vivo. Os testes de ontologia genética também determinaram a rede de genes associados durante a diferenciação osteogênica de BMSCs em construções SF-G-BG impressas em 3-D.
A maioria das células foi detectada para sobreviver nos materiais compostos, confirmando que a composição SF-G-BG apoiou a viabilidade das células-tronco. As superfícies do material celular foram observadas com microscopia eletrônica de varredura (MEV) para visualizar a morfologia celular e coloração imuno-histoquímica para visualizar a osteogênese com anticorpos específicos. Estudos genéticos indicaram que o vidro bioativo com andaimes de fibroína de seda enraizada em Sr sinergicamente aumentaram as vias de sinalização de BMSC para diferenciação e maturação aprimoradas, ativando especificamente as principais vias de sinalização (BMP-2, BMP-4 e IHH) críticos para regular a formação óssea in vivo. Os resultados apóiam investigações adicionais em um modelo animal pré-clínico antes da engenharia de enxertos ósseos 3-D SF-G-BG específicos do paciente no laboratório.
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