Des matériaux tels que le poly(ε-caprolactone) sont utilisés comme échafaudages dans l'ingénierie tissulaire osseuse, mais leur hydrophobie inhérente et leur douceur de surface peuvent nuire à la fixation des cellules, prolifération et différenciation en laboratoire, ou après implantation in vivo. Les modifications de surface, y compris les altérations chimiques ou l'immobilisation de molécules biologiquement actives sur des matériaux, peuvent surmonter l'hydrophobie intrinsèque de la poly(ε-caprolactone) (PCL). Dans une étude récente, les bio-ingénieurs Yasaman Zamani et ses collègues ont étudié un produit chimiquement modifié, Surface de matériau PCL imprimée en 3D immobilisée avec le peptide RGD (R :arginine, G :glycine, D :acide aspartique). Les résultats de l'étude sont publiés sur Matériaux biomédicaux , Éditions IOP.

Les défauts osseux importants causés par un traumatisme ou une résection tumorale ne peuvent souvent pas guérir via le processus naturel de régénération osseuse. L'étalon-or existant pour le traitement clinique de ces défauts est la transplantation osseuse autologue; où le tissu osseux prélevé sur le même patient sur un site chirurgical différent est implanté sur le site de la blessure ou du défaut. La technique d'autogreffe est désavantagée en raison de l'offre limitée, la nécessité de plusieurs chirurgies, l'immunodépression liée à l'âge du patient et le temps de guérison prolongé. Par conséquent, L'ingénierie des tissus osseux (BTE) devient rapidement une alternative prometteuse qui élimine le besoin de chirurgies supplémentaires. Intentionnellement, La BTE crée un échafaudage pour remplacer temporairement la matrice extracellulaire entourant le site du défaut afin d'aider à la régénération tissulaire et à la réparation osseuse pendant une période spécifique. Les techniques de première génération de BTE ne permettent pas de contrôler la porosité, microarchitecture et géométrie des échafaudages. L'impression tridimensionnelle (3-D) est couramment utilisée à l'heure actuelle pour concevoir des échafaudages pour l'ingénierie tissulaire avec une forme et une architecture contrôlées.

Le polymère le plus largement utilisé pour l'impression 3D d'échafaudages osseux est le PCL, en raison de sa faible température de fusion et de transition vitreuse pour un traitement facile. Les polymères ont un excellent caractère mécanique adapté aux échafaudages de remplacement osseux et sont approuvés par la Food and Drug Administration des États-Unis. Cependant, pour les applications d'ensemencement cellulaire en BTE, Les polymères PCL imprimés en 3D nécessitent une modification de surface car l'hydrophobie inhérente et le manque de sites de reconnaissance biologique liés à la surface limitent la biocompatibilité de surface. Une gamme de techniques de modification de surface BTE existantes sont donc mises en œuvre sous forme physique, méthodes chimiques et biologiques. Par exemple, L'hydrolyse du PCL par l'hydroxyde de sodium (NaOH) est une technique chimique qui peut augmenter l'hydrophilie (nature épris d'eau) du PCL en créant des groupes carboxyle et hydroxyle de surface pour une meilleure fixation cellulaire.

L'immobilisation du peptide RGD sur les surfaces PCL pourrait également aider les cellules à se fixer et à se développer sur des surfaces modifiées. Dans ce cas, l'attachement au matériel cellulaire a été attribué aux intégrines; un groupe de protéines de surface cellulaire qui interviennent dans la liaison cellulaire à des molécules d'adhésion spécifiques et reconnaissent ainsi la séquence RGD sur une surface de substrat. Alors que les effets de la modification de surface sur les propriétés des biomatériaux et les réponses cellulaires ont été largement étudiés, les résultats ne sont pas applicables à tous les types d'échafaudages. Plus important encore, des expériences restent encore à mener pour comprendre laquelle de ces modifications de surface est la plus efficace pour la prolifération cellulaire pré-ostéoblastique et l'activité ostéogénique sur un échafaudage imprimé en 3D. Zamani et al. ont donc étudié les surfaces d'échafaudage PCL imprimées en 3D modifiées par traitement alcalin avec NaOH ou par immobilisation RGD pour comprendre la réponse cellulaire sur la construction matérielle.

Dans l'étude, les chercheurs ont mené des expériences de biofonctionnalisation avec des pré-ostéoblastes de calvaire murin (MC3T3-E1) pour évaluer la réponse ostéogénique sur des surfaces 3-D modifiées pour la BTE. La modification chimique de surface a été réalisée en utilisant un traitement NaOH pendant 24 heures ou 72 heures (concentration 3M), qui a changé la topographie de surface d'une surface lisse à une structure en nid d'abeille. Pour l'immobilisation RGD, les surfaces ont été incubées avec 600 pl de RGD (0,125 mg/ml). En bref, pendant une période de 1 à 14 jours de culture cellulaire, une augmentation du dépôt de matrice collagène a été observée sur les échafaudages traités au NaOH et immobilisés au RGD par rapport aux témoins non modifiés. Les surfaces chimiquement modifiées ont montré une augmentation de l'activité de la phosphatase alcaline, crucial pour le développement osseux. Les chercheurs ont noté que les surfaces traitées avec du NaOH pendant 24 heures ont amélioré la minéralisation optimale par rapport aux témoins non modifiés.

Les chercheurs ont utilisé une découverte 3-D ^MT bioprinter pour imprimer les échafaudages. Le matériau PCL de qualité médicale a été fondu dans le réservoir de chauffage et étendu à travers une aiguille préchauffée, les brins de PCL ont été tracés couche par couche pour créer 36 échafaudages cubiques. Les différents échafaudages PCL avec et sans modifications de surface ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB). La culture cellulaire a été réalisée avec des pré-ostéoblastes MC3T3-E1 sur les différents matériaux d'intérêt pour observer et quantifier les paramètres de prolifération cellulaire, différenciation, dépôt de matrice de collagène, activité de la phosphatase alcaline et dépôt de calcium de 1 à 14 jours. Les surfaces traitées au NaOH pendant 24 heures et 72 heures ont montré une topographie de surface en nid d'abeille, mais l'immobilisation RGD n'a pas modifié de manière similaire la topographie de surface. Les pré-ostéoblastes cultivés étaient légèrement sphériques sur les échafaudages PCL non modifiés indiquant une hydrophobie de surface, en comparaison, les cellules étaient bien réparties sur les échafaudages traités au NaOH pendant 24 heures et immobilisés au RGD en raison de l'hydrophilie de surface et de la reconnaissance de la surface cellulaire.

Le dépôt de collagène sur les surfaces modifiées/non modifiées cultivées avec des cellules a été observé avec une coloration au rouge picrosirius en utilisant la microscopie optique au jour 14. L'intensité quantifiée du rouge était plus élevée pour les échafaudages traités au NaOH pendant 24 heures et immobilisés au RGD par rapport aux témoins. En outre, par rapport aux échafaudages NaOH, les surfaces modifiées par RGD ont montré un dépôt de collagène significativement plus élevé. Des dépôts de calcium ont été observés avec des constructions d'échafaudage colorées au rouge alizarine à l'aide d'images optiques. Plus de tache rouge a été observée sur les échafaudages traités au NaOH pour indiquer comparativement plus de dépôt de calcium. De la même manière, L'activité ALP était comparativement la plus élevée sur les échafaudages traités au NaOH pendant 24 heures. De façon intéressante, Le traitement au NaOH pendant 72 heures n'a pas augmenté l'activité ALP par rapport aux témoins non modifiés.

Sur la base des premiers résultats, les paramètres de modification de surface ont été affinés dans l'étude pour inclure une immobilisation RGD optimale (échafaudage 0,011 µg/mL) et un traitement NaOH de 24 heures pour concevoir chimiquement les échafaudages PCL imprimés en 3D. L'étude a collectivement montré une différenciation ostéogénique améliorée sur des échafaudages traités au NaOH de 24 heures par rapport aux échafaudages immobilisés par RGD in vitro. Les résultats suggèrent que le traitement chimique des échafaudages PCL 3-D à l'aide de NaOH 3M peut être plus prometteur pour les études de régénération osseuse in vivo par rapport à l'immobilisation RGD, donc. La modification de surface due à l'introduction de groupes hydroxyle et carboxyle fonctionnels via un traitement au NaOH a augmenté l'hydrophilie et la biocompatibilité. D'autre part, l'immobilisation de RGD sur PCL a facilité l'attachement et la prolifération cellulaire en raison de sites de reconnaissance cellulaire indiquant que les deux conditions étaient initialement favorables pour l'attachement et la prolifération pré-ostéoblastiques in vitro.

Une immersion plus longue pendant le traitement au NaOH (72 heures) n'était pas favorable car une dégradation accrue de la surface a entraîné une rugosité microscopique plus élevée empêchant des interactions cellule-cellule et/ou cellule-matrice adéquates. Les résultats ont indiqué que l'échelle de temps pour atteindre une topologie de surface optimale (rugosité et rigidité de surface dans ce cas) pour diriger la différenciation ostéogénique était de 24 heures de traitement au NaOH. La cytocompatibilité a été réitérée avec des études d'activité ALP et de dépôt de calcium pour montrer une différenciation ostéogénique améliorée sur les échafaudages traités au NaOH de 24 heures par rapport aux autres groupes, indiquant leur aptitude à d'autres études sur la formation osseuse avec des cellules ostéogéniques.

De cette façon, grâce à des expériences approfondies, Zamani et al ont montré que les constructions 3-D traitées au NaOH pendant 24 heures augmentaient la prolifération pré-ostéoblastique et le dépôt de matrice parallèlement à une activité ostéogénique accrue dans la BTE. L'étude a démontré le potentiel de la modification optimisée de la surface du matériau pour favoriser la formation osseuse en laboratoire en facilitant la croissance et la différenciation des cellules ostéogéniques.

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