Os avanços na ciência dos materiais e na tecnologia de produção possibilitaram estratégias de engenharia de tecido ósseo (BTE) que geram andaimes complexos com arquitetura controlada para o reparo ósseo. Os novos biomateriais podem ser posteriormente funcionalizados com moléculas bioativas para biocompatibilidade, aumentando a osteoindutividade (induzir a osteogênese para iniciar a consolidação óssea). Em um estudo recente publicado em Materiais multifuncionais, Ciência IOP , Arun Kumar Teotia e colegas de trabalho dos Departamentos de bioengenharia, ortopedia, engenharia química e engenharia biomédica, na Índia, Finlândia e Suécia desenvolveram um romance, multifuncional, andaime composto de duas camadas (BCS). O novo material continha nano-cimento cerâmico (NC) e a estrutura composta macroporosa (CG) para imitar a arquitetura óssea durante o reparo ósseo.

Para funcionalizar os andaimes, os cientistas de materiais adicionaram proteína-2 morfogenética óssea humana recombinante (rhBMP-2) (BMP) e ácido zoledrônico (ZA). Os cientistas propuseram que os andaimes compostos apoiariam a proliferação de células progenitoras de osteoblastos, ao lado da liberação controlada de moléculas bioativas carregadas para induzir a regeneração óssea. Cientistas da mesma equipe de pesquisa já haviam desenvolvido um material multifuncional semelhante para testar seu impacto inicial durante um estudo piloto in vivo.

No presente estudo, Teotia et al. observaram uma maior quantidade de tecido mineralizado (MT) com andaimes funcionalizados dentro de 12 semanas de implantação in vivo em um grupo maior de ratos com defeitos cranianos críticos de 8,5 mm. Os andaimes compostos de duas camadas combinados (BCS) funcionalizados com ácido zoledrônico (ZA) (para formar BCS + ZA) continham a maior deposição de MT (13,9 mm ³ ) Seguido pela estrutura composta macroporosa (CG) funcionalizada com BMP e ZA (CG + BMP + ZA) a 9,2 mm ³ e BCS + ZA + BMP com 7,6 mm ³ de deposição de MT.

Os valores de MT registrados no estudo durante a regeneração óssea foram significativamente maiores do que as taxas de osteogênese no CG não funcionalizado ou scaffolds BCS isoladamente (sem moléculas bioativas). Os resultados apoiaram as estratégias de BTE desenvolvidas no estudo para formar um arcabouço multifuncional osteo-promotor que poderia ser implantado in vivo para reparar defeitos críticos.

Uma característica única do tecido ósseo é sua capacidade de cicatrizar sem a formação de cicatrizes, sendo um tecido altamente dinâmico com potencial substancial de regeneração. A formação óssea natural ocorre por meio de ossificação endocondral dentro de ossos tubulares (por exemplo, falanges, fémur) ou durante a deposição de cartilagem, seguido de ossificação. Em um terceiro processo, ossificação direta intramembranosa pode ocorrer em ossos chatos (crânio, pelve) sem formação de cartilagem. A regeneração é um processo lento em ossos chatos (crânio, pelve) devido a células-tronco mesenquimais limitadas (MSCs), exigindo recrutamento de células importantes do periósteo ou dura-máter.

Como resultado, cura de defeitos de tamanho crítico em ossos chatos, como o crânio é um desafio que requer estratégias BTE otimizadas. Retalhos ósseos de autoenxerto foram preferidos no início para cranioplastia para minimizar reações imunológicas, infecções e reconhecimento de corpo estranho. Depois disso, os cientistas desenvolveram enxertos ósseos de calvária vascularizados como a escolha preferida para reconstrução craniana em estudos adicionais. Contudo, as estratégias de enxerto associadas introduziram complicações durante a reabsorção de material pós-implantação e reparo, ao lado de outras complicações clínicas no local de contato entre o implante e o osso original. A regeneração e a infiltração de células em um retalho de calvária dependem em grande parte das células progenitoras que podem migrar da dura-máter subjacente ou das camadas pericranianas sobrepostas, para se diferenciar em células osteogênicas ativas para a cura. Se a migração celular for obstruída das duas membranas (dura e pericrânio), a formação óssea seria significativamente menor.

Os cientistas já haviam determinado que as duas membranas são importantes para desempenhar um papel específico durante a regeneração, embora com a idade o papel do periósteo na regeneração do crânio seja menos significativo. No presente estudo, Teotia et al. desenvolveram a hipótese de que uma superfície osteocondutora poderia manter uma linha cruzada entre a dura-máter e as camadas pericranianas para uma vascularização precoce e sucesso clínico. Para conseguir isso, eles geraram uma arquitetura de andaime de duas camadas que integrou um nano-cimento de cerâmica de nano-hidroxiapatita-sulfato de cálcio (NC) bifásico reabsorvível na camada superior e criogel poroso composto de seda-biovidro-hidroxiapatita (CG) como camada subjacente.

Teotia et al. usou o projeto de duas camadas para integrar a resistência mecânica do NC como uma camada superior protetora e a camada CG composta porosa como uma superfície para fixação da célula, infiltração, proliferação e vascularização. Os cientistas esperavam que as superfícies projetadas mantivessem a comunicação entre a dura-máter subjacente e as membranas periosteais sobrepostas. Eles funcionalizaram os novos materiais e os implantaram in vivo em ratos Wistar com defeitos cranianos críticos para avaliar o efeito da arquitetura porosa de duas camadas na osteocondução e formação óssea em pré-clínicos. estudos translacionais.

Durante a fabricação de materiais, os cientistas moldaram o NC em uma arquitetura de formato côncavo-convexo para combinar com o formato do crânio e permitir que ele se solidificasse, para projetar andaimes multifuncionais de duas camadas para cranioplastia. Eles formaram discos BCS circulares compostos de NC superior e CG inferior e conduziram procedimentos cirúrgicos nos modelos animais. Durante a cirurgia, Teotia et al. implantou os discos de andaime no local do defeito e realizou micro-CT ex vivo e análise radiológica na calvária excisada e colhida após o sacrifício dos modelos animais, 12 semanas após a implantação do disco.

Os cientistas realizaram análises radiológicas da formação óssea no local do defeito para observar a formação de tecido ossificado, usando o scanner nanoScan in vivo para projeções radiográficas do defeito. Eles usaram a análise de micro-TC para detectar a formação de tecido altamente mineralizado (MT) e investigar o preenchimento do defeito no defeito circular induzido cirurgicamente de 8,5 mm (região de interesse). Por 12 semanas, a mineralização não atingiu o fechamento perfeito no modelo animal. Os cientistas usaram um software de quantificação de imagens para mostrar a maior quantidade de formação de tecido mineralizado no grupo BCS + ZA, seguido pelo grupo CG + ZA + BMP, seguido pelos grupos CG + ZA + BMP e BCS + ZA + BMP.

Pós-colheita, os cientistas fixaram as amostras de crânio para análise histológica e conduziram a hematoxilina e eosina (H&E) e a coloração com tricrômio de Masson de calvárias de ratos. Eles mostraram que o andaime composto poroso (CG) e o andaime de duas camadas (NC + GC) (BCS) se integraram bem com o osso existente no local do defeito. Os andaimes forneciam superfícies porosas para uma infiltração celular completa. Teotia et al. também mostraram que scaffolds funcionalizados tinham formação de MT consistentemente maior por meio de ensaios histológicos devido à presença de fatores osteocondutores e osteoindutores no composto de moléculas bioativas em comparação com os grupos não funcionalizados. Os resultados da histologia foram consistentes com os resultados da micro-CT no estudo.

Desta maneira, Teotia et al. mostraram que andaimes compostos multifuncionais podem substituir auto ou aloenxertos em tamanho grande, defeitos ósseos no crânio. Eles mostraram que os materiais multifuncionais foram capazes de induzir a vascularização precoce e aumentar a mineralização in vivo. Como esperado, os andaimes compostos permitiam a comunicação osteocondutora porosa entre a infiltração celular inicial do periósteo e as camadas da dura-máter subjacentes durante a rápida formação óssea. Os materiais multifuncionais prometem melhorar a mineralização óssea e a cura precoce de defeitos após a implantação. Teotia et al. propor a realização de estudos adicionais em grandes modelos animais pré-clínicos para otimizar e traduzir o novo biomaterial para aplicações clínicas.

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