Les matériaux bio-inspirés imitent leurs homologues naturels pour une fonctionnalité caractéristique dans des applications multidisciplinaires formant un thème populaire dans le développement de biomatériaux. En ingénierie du tissu osseux, par exemple, les chercheurs se concentrent sur l'architecture composite naturelle de l'os, organiquement conçu à partir de structures complexes de collagène minéralisé. Les constructions obtenues par bio-ingénierie comprennent des composites inorganiques/organiques à base de composants osseux de mammifères natifs tels que l'apatite carbonatée et le collagène. Cependant, l'incorporation de microparticules aux constructions matérielles peut entraîner des complications lors d'une résorbabilité in vivo prématurée, en raison de leur nature fragile.

Dans une étude récente, maintenant publié dans Matériaux biomédicaux, PIO Sciences , Christiane Heinemann et ses collègues du Max Bergmann Center of Biomaterials and Institute of Materials Science en Allemagne, nanosphères isolées conçues à l'aide d'hydroxyapatite organiquement modifiée (ormoHAP) - pour former un échafaudage composite s'alignant sur les travaux précédents de la même équipe de recherche. Heinemann et al. conçu le nouveau biomatériau à l'aide d'un processus de double migration d'ions assisté par champ électrique et incrusté les nanosphères ainsi formées, dans le gabarit organique en mousse de gélatine, pour former l'échafaudage composite.

Les scientifiques ont testé les taux de biodégradation des biomatériaux pour montrer qu'ils étaient en corrélation avec le degré de réticulation (40 %, 80%) véhiculés lors de la préparation des échafaudages et avec la teneur en minéraux des échafaudages (0%, 20%, 40%). Ils ont utilisé un modèle de co-culture de cellules humaines d'ostéoblastes et d'ostéoclastes dérivés de cellules stromales de moelle osseuse et de monocytes, pour tester l'impact des échafaudages ormoHAP-gélatine sur la croissance et la différenciation cellulaires pendant une période de 42 jours.

Les résultats ont confirmé que l'ormoHAP intégré dans la matrice de gélatine augmentait la bioactivité de TRAP5b (phosphatase acide 5b résistante au tartrate); un groupe d'enzymes synthétisées dans l'os, suivi d'une augmentation de l'activité ALP (phosphatase alcaline, un marqueur ostéoblastique) et une expression génique accrue de la BSPII (bone sialoprotein II - codant pour une protéine structurelle majeure de la matrice osseuse) dans les ostéoblastes. Les scientifiques ont proposé une séquence d'interactions de diaphonie cellulaire, en raison de la présence et de la concentration d'ormoHAP dans le matériau, pour expliquer le comportement observé dans les co-cultures cellulaires in vitro.

Les nanocristaux d'hydroxyapatite (HAP) se sont auto-assemblés dans le milieu organique pour former des agglomérats sphériques creux dans les expériences, que les scientifiques ont d'abord caractérisés en profondeur en raison de leur rôle dans la formation des matériaux de substitution osseuse (BSM). Heinemann et al. a choisi la gélatine comme matériau de matrice d'échafaudage sous-jacent en raison de sa compatibilité avec le processus de formation minérale assistée par champ électrique des nanosphères, tandis que les deux constituants du composite (HAP et gélatine) ont montré une cytocompatibilité au cours des interactions cellule-matériau, comme le montrent les études précédentes in vitro.

La gélatine est un constituant bien adapté pour former des matériaux bioinspirés pour l'ingénierie des tissus osseux, étant donné qu'il s'agit d'un produit de dénaturation du collagène, avec une disponibilité abondante, traitabilité, biodégradation et faible antigénicité; adaptés pour développer de nouveaux biomatériaux. Les scientifiques des matériaux ont déjà développé des constructions similaires comme la gélatine/alginate, gélatine/chitosane, échafaudages composites gélatine/βTCP ou gélatine/HAP, où les composites minéralisés ont facilité la prolifération cellulaire par rapport aux substrats monophasiques. Les expériences in vitro avec des co-cultures de divers types de cellules sont mieux adaptées pour tester les biomatériaux car elles représentent les conditions naturelles de l'interaction intercellulaire pour simuler la régénération cellulaire.

Pour reproduire plus précisément les conditions in vivo , Heinemann et al. précédemment mené des co-cultures sans supplément avec des ostéoblastes et des ostéoclastes pour tester les biomatériaux lors de la régénération osseuse assistée par matériel. Les travaux ont indiqué la nécessité d'une diaphonie équilibrée entre les ostéoblastes ostéoformateurs et les ostéoclastes résorbant l'os, soit via des facteurs solubles, soit par contact direct cellule-cellule, pour un remodelage osseux efficace.

Les scientifiques ont donc unifié les résultats de nombreuses études antérieures dans le présent travail, pour déterminer la formation de tissus osseux comme des dépôts de matrice extracellulaire guidés par le biomatériau sous-jacent. Heinemann et al. des cellules stromales de moelle osseuse humaine co-cultivées (hBMSC) avec des ostéoblastes humains (hOB), et les monocytes humains (hMc) avec les ostéoclastes humains (hOC), sans suppléments sur échafaudages composites 3D (ormoHAP/Gélatine). Ils ont ensuite effectué des caractérisations du matériau cellulaire (tests) pour étudier l'influence des nanosphères HAP organiquement modifiées (ormoHAP) sur le comportement et les interactions cellulaires en laboratoire.

Les scientifiques ont d'abord conçu une variété de composites avec de l'ormoHAP intégré dans de la gélatine pour créer plusieurs échafaudages pour les expériences de culture cellulaire, puis les tester avec des images de microscopie électronique à balayage (MEB) pour comprendre la micro-/nano-architecture du nouveau matériau. Ils ont observé un motif de surface distinct sur la matrice de gélatine en raison de la distribution homogène de l'ormoHAP. Heinemann et al. a produit une variété de ces échafaudages stables sur des modèles organiques de gélatine réticulés chimiquement et a testé leur comportement de dégradation à l'aide d'un tampon (solution saline tamponnée au phosphate, PBS) ou des fluides corporels simulés (SBF) pour imiter étroitement les conditions biologiques in vivo en laboratoire.

Les scientifiques ont déterminé les effets du pourcentage de réticulation de la gélatine et de la concentration d'ormoHAP sur la bioactivité et la dégradation du nouveau matériau, avec des études comparatives. Dans les études de dégradation avec SBF ou PBS, les échafaudages avec un degré de réticulation inférieur se dégradent beaucoup plus rapidement, que ceux avec une réticulation plus élevée. Au jour 56, les scientifiques ont observé des niveaux plus élevés de bioactivité sur des échafaudages avec 20 pour cent d'ormoHAP; déterminé en quantifiant les niveaux de calcium lié à la surface. Bien qu'une concentration de 40 pour cent d'ormoHAP ait donné des résultats prometteurs au départ, les valeurs du calcium lié à la surface diminuent avec le temps.

Au cours d'expériences de co-culture, Heinemann et al. ont donc comparé deux concentrations différentes d'ormoHAP (20 % et 40 %), aux côtés d'échafaudages faits de gélatine pure seule. Les scientifiques ont mené stratégiquement des études de culture cellulaire du 14e au 28e jour et jusqu'au 42e jour, puis en utilisant l'analyse de l'ADN, ils ont quantifié les noyaux cellulaires et calculé le taux de prolifération cellulaire pour évaluer le nombre total de cellules sur les surfaces matérielles, sans différence significative observée entre les surfaces.

Ils ont quantifié l'activité ALP, évaluer la différenciation ostéogénique en monoculture et en co-culture, qui diminuait après 14 jours à mesure que la maturation cellulaire augmentait. Pour étudier la différenciation de hMc à hOB en co-culture, les scientifiques ont quantifié l'activité de TRAP5b, qui a remarquablement augmenté avec l'augmentation de la teneur en ormoHAP dans la composition de l'échafaudage pour la croissance cellulaire assistée par matériel. Au jour 42, cependant, les taux d'activité enzymatique ont diminué en raison de la durée de vie limitée des cellules ostéoclastes. Heinemann et al. a ensuite mené une imagerie confocale par microscopie à balayage laser (cLSM) pour étudier les interactions de co-culture sur l'échafaudage.

Ils ont observé les co-cultures cellulaires présentant un squelette d'actine verte, noyaux de cellules bleues à l'aide de fabricants de fluorescence et ont utilisé un marqueur antigénique de surface des globules rouges (CD68) pour détecter les monocytes (hMc). À l'aide d'images microscopiques, les scientifiques ont observé une morphologie cellulaire variable, de la forme fusiforme à la forme sphérique, détaillant comment les cellules interagissaient avec le nouveau matériau sous-jacent. Ils ont détecté TRAP, comme des taches de vert brillamment colorées, de plus en plus concentré dans les cellules à mesure que les niveaux d'ormoHAP à la surface du matériau augmentaient, pour mettre en évidence l'effet de la croissance cellulaire assistée par matériel. Heinemann et al. enfin mené une analyse génique pour déterminer la régulation positive de marqueurs spécifiques liés à la différenciation cellulaire en utilisant la réaction en chaîne par polymérase quantitative en temps réel (qRT-PCR).

Ils ont notamment étudié la BSPII (bone matrix encoding protein), RANKL (activateur de récepteur du ligand NF-κB) impliqué dans la modélisation/remodelage osseux et le fabricant d'ostéoclastes OSCAR (récepteur de type Ig associé aux ostéoclastes) qui résorbe l'os - essentiel pour l'homéostasie osseuse. Les résultats ont indiqué la régulation à la hausse de BPSII et OSCAR, vérification de la différenciation cellulaire assistée par matériel dans le présent travail.

De cette façon, Heinemann et al. interactions cellule-matériau largement caractérisées pour comprendre le nouveau, matériaux ormoHAP bioinspirés lors de la biofonctionnalisation . Ils ont montré l'influence de la nouvelle géométrie d'échafaudage sur les cellules de formation et de résorption osseuses, et sur les interactions intercellulaires entre elles, en utilisant l'étude de co-culture cellulaire. Les résultats permettront au scientifique d'obtenir des conditions de production optimisées pour améliorer et développer davantage les constructions de matériaux pour l'ingénierie des matériaux bioinspirée. La concentration accrue d'ormoHAP dans les échafaudages a stimulé la diaphonie cellulaire entre les ostéoblastes et les ostéoclastes, comme en témoignent les marqueurs spécifiques de la régulation à la hausse des gènes, avec des implications prometteuses pour d'autres recherches sur les nouveaux matériaux dans l'ingénierie des tissus osseux.

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