Biological response of innovative biomaterials for bone tissue engineering applications

Abstract

Bone tissue engineering strategies guide tissue regeneration via osteoconductive and highly porous scaffolds. The main objective during this thesis was to combine chitosan with either synthetic or natural biomaterials and examine their biocompatibility and potential to promote osteogenesis. The first biomaterial, containing chitosan and poly-ε-caprolactone (CS-g-PCL), was tested for adhesion, proliferation and differentiation of MC3T3-E1 pre-osteoblastic cells, indicating the characteristic spindle-shaped morphology as early as the first day of culture onto the copolymer surface. The viability and proliferation of the cells on the CS-g-PCL surface were found significantly higher compared to the tissue culture treated polystyrene control (TCPS). Moreover, our results demonstrated that CS-g-PCL is capable to promote changes in pre-osteoblastic cells affecting important osteogenic traits and thus facilitating their differentiation. The second biomaterial, consisting of chitosan and gelatin (CS:Gel), was chemically crosslinked with either glutaraldehyde or genipin and the blend was used to fabricate three-dimensional scaffolds by freeze-drying. Since the glutaraldehyde crosslinked CS:Gel scaffolds showed more efficient cell adhesion and infiltration properties, they were selected for further investigation of their osteogenic potential. These scaffolds significantly enhanced cell viability, cell proliferation and extracellular matrix formation in both MC3T3-E1 pre-osteoblastic cells and human bone marrow (hBM) mesenchymal stem cells (MSCs). Expression analysis of early and late osteogenic markers of hBM-MSCs cultured on these scaffolds demonstrated a significant increase in their differentiation capacity. These results show that both chitosan-based biomaterials support new tissue formation and therefore provide a promising strategy for cancellous bone tissue engineering applications.

Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της ιατρικής στις μέρες μας είναι η αποκατάσταση των οστικών ελλειμάτων με την χρήση οστεοεπαγωγικών τρισδιάστατων ικριωμάτων. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν ο συνδυασμός της χιτοζάνης με άλλα φυσικά ή συνθετικά πολυμερή και ο έλεγχος της βιοσυμβατότητάς τους και της ικανότητάς τους να προάγουν την οστεογένεση. Το πρώτο βιοϋλικό περιείχε χιτοζάνη και ε-καπρολακτόνη, και εξετάστηκε η ικανότητά τους να υποστηρίζουν την προσκόλληση, τον πολλαπλασιασμό και την διαφοροποιίηση των MC3T3-E1 προ-οστεοβλαστικών κυττάρων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα κύτταρα προσκολλούνταν ισχυρά στην επιφάνεια του υλικού ακόμα και από την πρώτη μέρα καλλιέργειας και διατηρούσαν το χαρακτηριστικό ατρακτοειδές τους σχήμα. Η βιωσιμότητα και ο πολλαπλασιασμός των κυττάρων στο συμπολυμερικό υλικό ήταν υψηλότερα σε σχέση με το πολυστυρένιο. Επίσης τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα υλικά ήταν ικανά να προκαλέσουν αλλαγές στα προ-οστεοβλαστικά κύτταρα, επηρεάζοντας σημαντικά οστεογενή χαρακτηριστικά τους, διευκολύνοντας με αυτό τον τρόπο την διαφοροποίησή τους. Το δεύτερο βιοϋλικό αποτελούνταν από χιτοζάνη και ζελατίνη, τα οποία είχαν διασταυρωθεί με φυσικούς ή χημικούς διασταυρωτές. Οι τρισδιάστατες πορώδεις δομές παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της λυοφιλοποίησης. Καθώς τα διασταυρωμένα με γλουταραλδεϋδη συμπολυμερικά υλικά εμφάνιζαν καλύτερη προσκόλληση των κυττάρων, επιλέχθηκαν για περαιτέρω έλεγχο της οστεογενούς απόκρισής τους. Τα υλικά αυτά ήταν ικανά να ενισχύσουν την βιωσιμότητα, τον πολλαπλασιασμό και το σχηματισμό του εξωκυττάριου χώρου τόσο των MC3T3-E1 προ-οστεοβλαστικών κυττάρων όσο και των μεσεγχυματικών κυττάρων μυελού των οστών. Η ικανότητα διαφοροποίησης και των δύο τύπων κυττάρων ήταν στατιστικά σημαντικά αυξημένη στα συμπολυμερικά υλικά, γεγονός που επιβεβαιώνεται από την αύξηση πρώιμων αλλά και μεταγενέστερων δεικτών οστεογένεσης. Με βάση όλα τα παραπάνω και οι δύο αυτοί τύποι υλικών βοηθούσαν το σχηματισμό νέου ιστού και πιθανά να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αναγέννηση σπογγώδους οστού.