L'architecture complexe de l'os est difficile à recréer en laboratoire. Par conséquent, les progrès de l'ingénierie du tissu osseux (BTE) visent à construire des greffes spécifiques au patient qui aident à la réparation osseuse et déclenchent des voies de signalisation cellulaire spécifiques. Les scientifiques des matériaux en médecine régénérative et BTE développent progressivement de nouveaux matériaux pour la réparation biologique active sur un site de défaut post-implantation afin d'accélérer la guérison grâce au biomimétisme osseux.

L'initiation rapide d'une nouvelle formation osseuse sur le site d'implantation est une caractéristique hautement souhaitable dans la BTE, et les scientifiques se concentrent sur la fabrication de greffons qui renforcent l'interface matériau-os après l'implantation. Le verre bioactif peut se lier à l'os quelques minutes après la greffe, et de la fibroïne de soie, une protéine fibreuse naturelle a le potentiel d'induire la régénération osseuse. Les matériaux hybrides qui exploitent ces propriétés peuvent combiner le potentiel ostéogénique et la capacité de charge pour des applications potentielles dans des modèles de défauts osseux à forte charge.

Dans une étude récente, Swati Midha et ses collaborateurs ont développé une nouvelle construction hybride 3D utilisant des encres à base de soie avec différentes compositions de verre bioactif intégrées pour recréer un microenvironnement mimétique osseux qui soutient la différenciation ostéogénique des lignées de cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (BMSC) en laboratoire. Maintenant publié dans Matériaux biomédicaux , IOP Sciences, les scientifiques ont utilisé des instruments d'écriture directe pour produire les échafaudages en verre bioactif fibroïne-gélatine de soie (SF-G-BG). Les résultats ont fourni des indices appropriés pour réguler le développement de constructions osseuses humaines 3-D personnalisées in vitro.

Les auteurs ont exploré deux compositions de verre bioactif (avec et sans strontium) enracinées dans des matrices à base de soie. Le travail a étudié (1) les propriétés mécaniques des composites hybrides pour leur potentiel en tant qu'encres pour les échafaudages d'impression 3D, suivi par (2) le potentiel ostéogénique de telles matrices imprimées en 3D à base d'encre SF-G-BG, et (3) les mécanismes de signalisation sous-jacents responsables de la différenciation osseuse sur les constructions imprimées en 3D.

L'encre a été créée à partir de verre issu de la fusion, et après une série d'optimisations avec différentes concentrations, Les composites SF-G-BG optimisés pour l'imprimabilité et la cytocompatibilité ont été rendus possibles. Après impression, les échafaudages 3-D SF-G-BG ont été incubés dans 80 pour cent d'éthanol pour induire des changements de conformation dans la protéine de soie constituante.

Les propriétés physico-chimiques des matériaux ont été testées par FTIR et spectrométrie de masse à plasma couplé inductif utilisées pour surveiller le profil de libération d'ions des verres bioactifs dans la fibroïne de soie. Des cellules souches mésenchymateuses ont été cultivées sur les matériaux pour comprendre les mécanismes de différenciation cellulaire.

Typiquement, la différenciation ostéogénique sur des matrices à base de soie est associée à l'activation de la voie de signalisation Wnt/β, tandis que le verre bioactif active un ensemble différent de voies de signalisation ostéogéniques. Par conséquent, les auteurs ont cherché à savoir si ces mécanismes de différenciation cellulaire étaient indépendants les uns des autres ou si une interaction entre eux conduisait à l'induction d'un nouvel ensemble de gènes pour réguler la formation osseuse sur les constructions hybrides.

Des études moléculaires approfondies ont montré que les constructions SF-G-BG contenant du strontium (Sr) présentaient une différenciation ostéogénique supérieure en conduisant les cellules souches mésenchymateuses vers des phénotypes ostéoblastiques et ostéocytaires dans les 21 jours suivant la culture cellulaire. Après, les auteurs ont testé la régulation positive de six gènes d'intérêt pour étudier la différenciation ostéoblastique, y compris l'expression du facteur de transcription lié à Runt (Runx2), un gène maître qui déclenche le début de l'expression ostéogénique au début du cycle de différenciation cellulaire, diminuer progressivement au jour 7 comme observé dans l'étude.

De la même manière, les auteurs ont testé la régulation positive de trois gènes spécifiques exprimés au cours de la différenciation ostéocytaire. Suivi par des études pour détecter la libération ionique du verre bioactif dans les constructions d'encre de soie-gélatine déclenchant la protéine morphogénétique osseuse 2 BMP-2, la protéine morphogénétique osseuse 4 BMP-4 et les voies de signalisation cellulaire Indian hedgehog IHH qui sont essentielles pour réguler la formation osseuse in vivo. Les tests d'ontologie génique ont également déterminé le réseau de gènes associés au cours de la différenciation ostéogénique des BMSC dans des constructions SF-G-BG imprimées en 3D.

La plupart des cellules ont été détectées pour survivre sur les matériaux composites, confirmant que la composition SF-G-BG soutenait la viabilité des cellules souches. Les surfaces du matériel cellulaire ont été observées au microscope électronique à balayage (MEB) pour visualiser la morphologie cellulaire et la coloration immuno-histochimique pour visualiser l'ostéogenèse avec des anticorps spécifiques. Des études génétiques ont indiqué que le verre bioactif avec des échafaudages de fibroïne de soie enracinée au Sr régule de manière synergique les voies de signalisation BMSC pour une différenciation et une maturation améliorées, activant spécifiquement les voies de signalisation majeures (BMP-2, BMP-4 et IHH) essentielles pour réguler la formation osseuse in vivo. Les résultats soutiennent d'autres investigations dans un modèle animal préclinique avant de concevoir des greffes osseuses 3-D SF-G-BG spécifiques au patient en laboratoire.

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