Materiais como poli (ε-caprolactona) são usados ​​como andaimes na engenharia de tecido ósseo, mas sua hidrofobicidade inerente e suavidade de superfície podem prejudicar a fixação da célula, proliferação e diferenciação no laboratório, ou após implantação in vivo. Modificações de superfície, incluindo alterações químicas ou a imobilização de moléculas biologicamente ativas em materiais, podem superar a hidrofobicidade intrínseca da poli (ε-caprolactona) (PCL). Em um estudo recente, bioengenheiros Yasaman Zamani e seus colegas investigaram um quimicamente modificado, Superfície de material PCL impresso 3-D imobilizado com peptídeo RGD (R:arginina, G:glicina, D:ácido aspártico). Os resultados do estudo são publicados em Materiais Biomédicos , Publicação do IOP.

Grandes defeitos ósseos causados ​​por trauma ou ressecção de tumor geralmente não podem ser curados por meio do processo natural de regeneração óssea. O padrão ouro existente para o tratamento clínico de tais defeitos é o transplante ósseo autólogo; onde o tecido ósseo colhido do mesmo paciente em um local cirúrgico diferente é implantado no local da lesão ou defeito. A técnica de autoenxerto é prejudicada devido ao fornecimento limitado, a necessidade de múltiplas cirurgias, imunocomprometimento relacionado à idade do paciente e tempo de cura estendido. Como resultado, a engenharia de tecido ósseo (BTE) está rapidamente se tornando uma alternativa promissora que elimina a necessidade de cirurgias adicionais. Por design, O BTE cria um arcabouço para substituir temporariamente a matriz extracelular ao redor do local do defeito para auxiliar na regeneração do tecido e no reparo ósseo por um período específico. As técnicas de primeira geração de BTE não podem controlar a porosidade, microarquitetura e geometria de andaimes. A impressão tridimensional (3-D) é comumente usada atualmente para projetar andaimes para engenharia de tecidos com formato e arquitetura controlados.

O polímero mais amplamente usado para andaimes ósseos de impressão 3-D é o PCL, devido à sua baixa temperatura de fusão e transição vítrea para fácil processamento. Os polímeros têm excelente caráter mecânico adequado para andaimes de substituição óssea e são aprovados pela US Food and Drug Administration. Contudo, para aplicações de semeadura de células em BTE, Os polímeros PCL impressos em 3-D requerem modificação da superfície, pois a hidrofobicidade inerente e a falta de locais de reconhecimento biológico ligados à superfície limitam a biocompatibilidade da superfície. Uma gama de técnicas de modificação de superfície BTE existentes são, portanto, implementadas como físicas, métodos químicos e biológicos. Por exemplo, a hidrólise do PCL por hidróxido de sódio (NaOH) é uma técnica química que pode aumentar a hidrofilicidade (natureza que ama a água) do PCL, criando grupos de carboxila e hidroxila de superfície para aumentar a fixação celular.

A imobilização do peptídeo RGD em superfícies de PCL também pode ajudar as células a se anexar e crescer em superfícies modificadas. Neste caso, a ligação do material celular foi atribuída às integrinas; um grupo de proteínas de superfície celular que medeiam a ligação celular a moléculas de adesão específicas e, assim, reconhecem a sequência RGD na superfície de um substrato. Embora os efeitos da modificação da superfície nas propriedades do biomaterial e nas respostas celulares tenham sido amplamente estudados, os resultados não são aplicáveis ​​a todos os tipos de andaimes. Mais importante, experimentos ainda precisam ser realizados para entender qual dessas modificações de superfície é mais eficaz para a proliferação de células pré-osteoblastos e atividade osteogênica em uma estrutura impressa 3-D. Zamani et al. portanto, investigou superfícies de andaime de PCL impressas em 3-D modificadas por tratamento alcalino com NaOH ou por imobilização RGD para compreender a resposta celular na construção de material.

No estudo, os pesquisadores conduziram experimentos de biofuncionalização com pré-osteoblastos de calvárias murinas (MC3T3-E1) para avaliar a resposta osteogênica em superfícies 3-D modificadas para BTE. A modificação química da superfície foi realizada usando tratamento com NaOH por 24 horas ou 72 horas (concentração 3M), que mudou a topografia da superfície de uma superfície lisa para uma estrutura semelhante a um favo de mel. Para imobilização RGD, as superfícies foram incubadas com 600 µl de RGD (0,125 mg / ml). Em resumo, durante um período de 1-14 dias de cultura de células, aumento da deposição de matriz colágena foi observado nos andaimes tratados com NaOH e imobilizados com RGD em comparação com os controles não modificados. As superfícies quimicamente modificadas mostraram aumento da atividade da fosfatase alcalina, crucial para o desenvolvimento ósseo. Os pesquisadores notaram que as superfícies tratadas com NaOH por um período ideal de 24 horas melhoraram a mineralização em comparação com os controles não modificados.

Os pesquisadores usaram um 3-D Discovery ^TM bioprinter para imprimir os andaimes. O material PCL de grau médico foi derretido no tanque de aquecimento e estendido através de uma agulha pré-aquecida, os fios de PCL foram plotados camada por camada para criar 36 andaimes cúbicos. Os diferentes scaffolds de PCL com e sem modificações de superfície foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV). A cultura celular foi realizada com pré-osteoblastos MC3T3-E1 nos diferentes materiais de interesse para observar e quantificar os parâmetros de proliferação celular, diferenciação, deposição de matriz de colágeno, atividade da fosfatase alcalina e deposição de cálcio de 1-14 dias. Ambas as superfícies tratadas com NaOH 24 horas e 72 horas mostraram uma topografia de superfície semelhante a um favo de mel, mas a imobilização RGD não alterou de forma semelhante a topografia da superfície. Os pré-osteoblastos cultivados eram ligeiramente esféricos nas estruturas de PCL não modificadas, indicando hidrofobicidade de superfície, em comparação, as células foram bem espalhadas nos andaimes tratados com NaOH de 24 horas e imobilizados com RGD devido à hidrofilicidade da superfície e ao reconhecimento da superfície celular.

A deposição de colágeno nas superfícies modificadas / não modificadas cultivadas com células foi observada com coloração com picrosirius red usando microscopia de luz no dia 14. A intensidade quantificada do vermelho foi maior para os andaimes tratados com NaOH de 24 horas e imobilizados com RGD em comparação com os controles. Adicionalmente, em comparação com os andaimes de NaOH, as superfícies modificadas com RGD mostraram deposição de colágeno significativamente maior. Deposição de cálcio foi observada com construções de andaime coradas com vermelho de alizarina usando imagens ópticas. Mais mancha vermelha foi observada em andaimes tratados com NaOH para indicar comparativamente mais deposição de cálcio. De forma similar, A atividade de ALP foi comparativamente mais alta nos andaimes tratados com NaOH de 24 horas. Interessantemente, O tratamento com NaOH por 72 horas não aumentou a atividade de ALP em comparação com os controles não modificados.

Com base nos resultados iniciais, os parâmetros de modificação de superfície foram refinados no estudo para incluir imobilização RGD ideal (0,011 µg / mL de suporte) e tratamento com NaOH de 24 horas para projetar quimicamente os suportes de PCL impressos em 3-D. O estudo coletivamente mostrou diferenciação osteogênica melhorada em scaffolds tratados com NaOH de 24 horas em comparação com scaffolds imobilizados com RGD in vitro. Os resultados sugeriram que o tratamento químico de andaimes de PCL 3-D usando NaOH 3M pode ser mais promissor para estudos de regeneração óssea in vivo em comparação com a imobilização de RGD, Portanto. A modificação da superfície devido à introdução de grupos funcionais hidroxila e carboxila via tratamento com NaOH aumentou a hidrofilia e a biocompatibilidade. Por outro lado, a imobilização de RGD no PCL facilitou a fixação e proliferação celular devido aos locais de reconhecimento celular, indicando que ambas as condições eram inicialmente favoráveis ​​para a fixação e proliferação pré-osteoblastos in vitro.

A imersão mais longa durante o tratamento com NaOH (72 horas) não foi favorável, pois o aumento da degradação da superfície levou a uma rugosidade em microescala mais alta, impedindo as interações célula-célula e / ou célula-matriz adequadas. Os resultados indicaram que a escala de tempo para atingir a topologia de superfície ideal (rugosidade e rigidez da superfície, neste caso) para direcionar a diferenciação osteogênica foi de 24 horas de tratamento com NaOH. A citocompatibilidade foi reiterada com a atividade de ALP e estudos de deposição de cálcio para mostrar diferenciação osteogênica melhorada em estruturas tratadas com NaOH de 24 horas em comparação com outros grupos, indicando sua adequação para estudos posteriores na formação óssea com células osteogênicas.

Desta maneira, através de experiências extensas, Zamani et al mostraram que os construtos 3-D tratados com NaOH de 24 horas aumentaram a proliferação pré-osteoblástica e a deposição de matriz juntamente com o aumento da atividade osteogênica no BTE. O estudo demonstrou o potencial da modificação otimizada da superfície do material para promover a formação óssea em laboratório, facilitando o crescimento e a diferenciação das células osteogênicas.

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