Materiais bioinspirados imitam suas contrapartes naturais para funcionalidade característica em aplicações multidisciplinares, formando um tema popular no desenvolvimento de biomateriais. Na engenharia de tecido ósseo, por exemplo, pesquisadores se concentram na arquitetura composta natural do osso, organicamente desenhado a partir de estruturas complexas de colágeno mineralizado. Os construtos resultantes da bioengenharia incluem compostos inorgânicos / orgânicos baseados em componentes ósseos de mamíferos nativos, como apatita carbonatada e colágeno. Contudo, a incorporação de micropartículas a construções de materiais pode causar complicações durante a capacidade de reabsorção in vivo prematura, devido à sua natureza frágil.

Em um estudo recente, agora publicado em Materiais Biomédicos, Ciência IOP , Christiane Heinemann e colegas de trabalho do Centro Max Bergmann de Biomateriais e do Instituto de Ciência de Materiais na Alemanha, nanoesferas isoladas projetadas usando hidroxiapatita modificada organicamente (ormoHAP) - para formar um andaime composto alinhado com o trabalho anterior da mesma equipe de pesquisa. Heinemann et al. projetou o novo biomaterial usando um processo de dupla migração de íons assistido por campo elétrico e incorporou as nanoesferas assim formadas, no modelo orgânico de gelatina espumada, para formar o andaime composto.

Os cientistas testaram as taxas de biodegradação dos biomateriais para mostrar que eles se correlacionavam com o grau de reticulação (40%, 80%) transportado durante a preparação do andaime e com o conteúdo mineral dos andaimes (0%, 20%, 40%). Eles usaram um modelo de co-cultura de células humanas de osteoblastos e osteoclastos derivados de células e monócitos do estroma da medula óssea, para testar o impacto dos suportes de gelatina de ormoHAP no crescimento e diferenciação celular por um período de 42 dias.

Os resultados confirmaram que o ormoHAP incorporado na matriz de gelatina aumentou a bioatividade do TRAP5b (fosfatase ácida resistente ao tartarato 5b); um grupo de enzimas sintetizadas no osso, seguido pelo aumento da atividade de ALP (fosfatase alcalina, um marcador de osteoblasto) e aumento da expressão gênica de BSPII (sialoproteína óssea II - que codifica uma das principais proteínas estruturais da matriz óssea) em osteoblastos. Os cientistas propuseram uma sequência de interações de conversa cruzada entre células, devido à presença e concentração de ormoHAP no material, para explicar o comportamento observado em co-culturas de células in vitro.

Os nanocristais de hidroxiapatita (HAP) se auto-montaram no ambiente orgânico para formar aglomerados esféricos ocos nos experimentos, que os cientistas primeiro caracterizaram em profundidade devido ao seu papel na formação de materiais substitutos ósseos (BSM). Heinemann et al. escolheu a gelatina como o material de matriz de andaime subjacente devido à sua compatibilidade com o processo de formação mineral assistido por campo elétrico de nanoesferas, enquanto ambos os constituintes do compósito (HAP e gelatina) mostraram citocompatibilidade durante as interações célula-material, conforme demonstrado em estudos anteriores in vitro.

A gelatina é um constituinte bem adequado para formar materiais bioinspirados para a engenharia de tecido ósseo, pois é um produto de desnaturação do colágeno, com disponibilidade abundante, processabilidade, biodegradação e baixa antigenicidade; adequado para o desenvolvimento de novos biomateriais. Cientistas de materiais desenvolveram anteriormente construções semelhantes como gelatina / alginato, gelatina / quitosana, gelatina / βTCP ou estruturas compostas de gelatina / HAP, onde compósitos mineralizados facilitaram a proliferação celular em comparação com substratos monofásicos. Experimentos in vitro com co-culturas de diversos tipos de células são mais adequados para testar biomateriais, pois eles representam as condições naturais de interação intercelular para simular a regeneração celular.

Para replicar com mais precisão as condições na Vivo , Heinemann et al. anteriormente conduzido co-culturas sem suplemento com osteoblastos e osteoclastos para testar biomateriais durante a regeneração óssea auxiliada por material. O trabalho indicou a necessidade de um crosstalk balanceado entre os osteoblastos formadores de osso e os osteoclastos de reabsorção óssea, seja por meio de fatores solúveis ou contato direto célula-célula, para uma remodelação óssea eficiente.

Os cientistas, portanto, unificaram os resultados de muitos estudos anteriores no presente trabalho, para determinar a formação de depósitos de matriz extracelular semelhante a tecido ósseo guiados pelo biomaterial subjacente. Heinemann et al. células estromais de medula óssea humana co-cultivadas (hBMSC) com osteoblastos humanos (hOB), e monócitos humanos (hMc) com osteoclastos humanos (hOC), sem suplementos em andaimes compostos 3D (ormoHAP / Gelatina). Eles então conduziram caracterizações de material celular (testes) para investigar a influência das nanoesferas HAP organicamente modificadas (ormoHAP) no comportamento celular e nas interações em laboratório.

Os cientistas primeiro projetaram uma variedade de compostos com ormoHAP incorporado na gelatina para criar vários suportes para experimentos de cultura de células, seguido por testá-los com imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para entender a micro / nanoarquitetura do novo material. Eles observaram padrões de superfície distintos na matriz de gelatina devido à distribuição homogênea do ormoHAP. Heinemann et al. produziu uma variedade de tais andaimes estáveis ​​em modelos orgânicos de gelatina reticulada quimicamente e testou seu comportamento de degradação usando tampão (solução salina tamponada com fosfato, PBS) ou mídia de fluido corporal simulado (SBF) para imitar de perto as condições biológicas in vivo no laboratório.

Os cientistas determinaram os efeitos da porcentagem de reticulação da gelatina e da concentração de ormoHAP na bioatividade e degradação do novo material, com estudos comparativos. Em estudos de degradação com SBF ou PBS, andaimes com um menor grau de reticulação degradam-se muito mais rápido, do que aqueles com maior cross-linking. No dia 56, os cientistas observaram níveis mais altos de bioatividade em andaimes com 20% de ormoHAP; determinado pela quantificação dos níveis de cálcio ligado à superfície. Embora uma concentração de 40 por cento do ormoHAP tenha mostrado resultados promissores inicialmente, os valores do cálcio ligado à superfície diminuíram com o tempo.

Durante os experimentos de co-cultura Heinemann et al. portanto, comparou duas concentrações diferentes de ormoHAP (20 por cento e 40 por cento), ao lado de andaimes feitos apenas de gelatina pura. Os cientistas conduziram estudos de cultura de células estrategicamente do dia 14 ao dia 28 e até o dia 42, em seguida, usando a análise de DNA, eles quantificaram os núcleos das células e calcularam a taxa de proliferação celular para avaliar o número total de células nas superfícies do material, sem diferença significativa observada entre as superfícies.

Eles quantificaram a atividade ALP, para avaliar a diferenciação osteogênica em monocultura e co-cultura, que diminuiu após 14 dias à medida que a maturação celular aumentou. Para investigar a diferenciação de hMc para hOB em co-cultura, os cientistas quantificaram a atividade do TRAP5b, que aumentou notavelmente com o aumento do conteúdo de ormoHAP na composição de arcabouço para o crescimento celular auxiliado por material. No dia 42, no entanto, as taxas de atividade enzimática diminuíram devido ao tempo de vida limitado das células osteoclásticas. Heinemann et al. em seguida conduziu imagens de microscopia confocal de varredura a laser (cLSM) para investigar as interações de co-cultura no andaime.

Eles observaram as co-culturas de células exibindo esqueleto de actina verde, núcleos de células azuis usando marcadores fluorescentes e um marcador de antígeno de superfície de células vermelhas (CD68) para detectar os monócitos (hMc). Usando imagens microscópicas, os cientistas observaram uma variedade de morfologia celular desde a forma de fuso até a forma esférica, detalhando como as células interagiram com o novo material subjacente. Eles detectaram TRAP, como pontos brilhantes de verde, cada vez mais concentrado dentro das células conforme os níveis de ormoHAP na superfície do material aumentavam, para destacar o efeito do crescimento celular auxiliado por material. Heinemann et al. finalmente conduziu a análise do gene para determinar a regulação positiva de marcadores específicos relacionados à diferenciação celular usando a reação em cadeia da polimerase quantitativa em tempo real (qRT-PCR).

Notavelmente, eles investigaram BSPII (proteína codificadora de matriz óssea), RANKL (receptor ativador do ligante NF- κB) envolvido na modelagem / remodelação óssea e o fabricante de osteoclastos OSCAR (receptor semelhante a Ig associado a osteoclastos) que reabsorve osso - essencial para a homeostase óssea. Os resultados indicaram a regulação positiva de BPSII e OSCAR, verificar a diferenciação celular assistida por material no presente trabalho.

Desta maneira, Heinemann et al. caracterizou extensivamente as interações célula-material para compreender o novo, materiais ormoHAP bioinspirados durante a biofuncionalização. Eles mostraram a influência da nova geometria de arcabouço na formação e reabsorção de células ósseas, e nas interações intercelulares entre si, usando o estudo de co-cultura celular. Os resultados permitirão ao cientista alcançar condições de produção otimizadas para melhorar ainda mais e desenvolver construções de materiais para a engenharia de materiais bioinspirados. O aumento da concentração de ormoHAP nos andaimes estimulou o cross-talk celular entre os osteoblastos e os osteoclastos, conforme evidenciado com marcadores específicos de regulação positiva do gene, com implicações promissoras para futuras investigações dos novos materiais na engenharia de tecido ósseo.

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