La stampa 3D dell’osso Haversiano, che imita le impalcature per il rilascio pluricellulare nella rigenerazione ossea

Osso Haversiano stampato in 3D: Biomimicking per la rigenerazione cellulare

I ricercatori cinesi continuano ad affrontare la sfida della rigenerazione ossea nell’ingegneria dei tessuti, condividendo i loro risultati nella recente stampa 3D dell’osso Haversiano, che imita le impalcature per il rilascio pluricellulare nella rigenerazione ossea .

La fabbricazione di impalcature è al centro di una rigenerazione ossea di successo, ma questa è un’area della medicina che è ancora nota per essere difficile, nonostante una vasta gamma di progetti di ricerca già realizzati, dall’uso di variazioni nei nanotubi a strutture con rilascio controllato di antibiotici , materiali e rivestimenti alternativi .

Come sottolineato dagli autori, mentre la bioprinting è un’area di ricerca medica in cui gli scienziati hanno fatto passi da gigante, ci sono diverse ragioni per cui permangono ostacoli:

Complessità delle strutture gerarchiche
Requisiti di proprietà meccanica
Diversità di cellule ossee residenti
La maggior parte della rigenerazione avviene nell’osso spugnoso, quindi questo è ciò su cui i ricercatori devono concentrarsi per il successo nel trattamento dei pazienti:

“L’osso canceroso è una rete costituita da strutture a piastra o a bastoncino con uno spessore di circa 200 mm”, hanno spiegato gli autori. “Secondo una stima, l’80 percento dei processi di rimodellamento osseo avviene nell’osso spongioso. Tuttavia, la rigenerazione ossea non ha solo bisogno di ricostruire la struttura ossea, ma comporta anche la riparazione di altri tessuti come vasi sanguigni o nervi. “

Le strutture biomimetiche mostrano un grande potenziale come “biomateriali di ingegneria del tessuto osseo ad alte prestazioni”, tuttavia, portando il team di ricerca a concentrarsi sull’uso delle strutture bioceramiche Haversiane stampate in 3D che possono imitare l’osso in un “design semplice ma versatile”.

Stampa 3D Impalcature che imitano l’osso Haversiano integrate con canali Haversiani, canali Volkmann e struttura ossea spongiosa per la consegna di cellule osteogeniche e angiogeniche. Le cellule osteogeniche sono state seminate nella struttura ossea spongiosa dei ponteggi e le cellule angiogeniche sono state seminate sui canali Haversian. Il sistema di consegna multicellulare basato sulla struttura che imita l’osso Haversiano ha contribuito alla formazione di nuovo osso e nuovi vasi sanguigni.

A causa dell’osteoconduttività e dell’osteoinduttività superiori, sono stati utilizzati materiali composti da akermanite nella fabbricazione di cinque campioni con misure variabili in canali e ossa spongiose che fungevano da rete.

Stampa 3D di impalcature bioceramiche che imitano l’osso Haversiano con osso corticale e struttura ossea spongiosa. La struttura ossea corticale conteneva canali Haversian e canali Volkmann. (Da A a E) Le immagini del microscopio ottico presentavano diversi diametri (D) e numeri (N) del canale Haversian indicati da frecce magenta (A) N = 8, D = 0,8 mm; (B) N = 8, D = 1,2 mm; (C) N = 8, D = 1,6 mm; (D) N = 4, D = 1,6 mm; e (E) N = 2, D = 1,6 mm. Barre di scala, 1 mm. (da a a) Le immagini di tomografia computerizzata (CT) mostrano i canali Volkmann (frecce blu) che collegano i canali Haversiani all’interno delle impalcature. Barre di scala, 1 mm. (Da F a J) Le immagini SEM hanno presentato la microstruttura dei ponteggi.

“I canali Haversian interconnessi sono stati isolati dalla struttura dell’osso spugnoso per la cocoltura cellulare senza contatto”, hanno affermato i ricercatori. “Inoltre, la periferia e il fondo dei ponteggi sono stati sigillati in modo che i ponteggi possano essere utilizzati per contenere le cellule seminate.”

Diverse tecniche diverse sono state necessarie nella creazione dei ponteggi, per includere l’uso dell’elettrospinning e dell’estrusione a doppia vite, l’ingegneria dei tessuti modulari e la stampa 3D. Il team ha avuto il maggior successo con la stampa 3D DLP, progettando una serie di strutture con canali Haversian, canali Volkmann e osso spongioso.

I ponteggi bioceramici che imitano le ossa di Haversian per il sistema di cocoltura HBMSC-HUVEC hanno ottenuto risultati migliori nella proliferazione cellulare e nella differenziazione angiogenica rispetto alla monocoltura. (Da A a D) Immagini CLSM di HBMSC seminate sulla struttura dell’osso spongioso (A) e HUVEC seminate sul canale Haversian con diametri diversi, (B) D = 1,6 mm, (C) D = 1,2 mm e (D) D = 0,8 mm. Barre di scala, 100 m. (Da E a H) Immagini SEM di (E) HBMSC seminate sulla struttura dell’osso spongioso e HUVEC seminate sul canale Haversiano con diversi diametri di (F) 1,6 mm, (G) 1,2 mm e (H) 0,8 mm. (I e J) L’attività di proliferazione di HBMSC, HUVEC e HBMSC-HUVEC coculturati seminati su impalcature con diversi diametri (I) e (J) canali Haversian dopo la coltura per 1, 3, 7 e 14 giorni. n = 6 replicati. (K e L) Espressione genica osteogenica (K) e angiogenica (L) di HBMSC, HUVEC, Co-HBMSC (HBMSC nella coltura HBMSC-HUVEC) e Co-HUVEC (HUVEC nella coltura HBMSC-HUVEC) per 3 giorni. n = 3 replicati. * P <0,05, ** P <0,01, *** P <0,001, $ P <0,05, $$ P <0,01.

Il sistema di cocoltura rBMSC-rSC basato su impalcature bioceramiche che imita l’osso Haversiano ha ottenuto risultati migliori nella proliferazione cellulare e nella differenziazione neurogena rispetto alla monocoltura. (Da A a D) Le immagini CLSM di rBMSC nel gruppo di monocoltura (A) rBMSC e nel gruppo di cocultura rBMSC-rSC con il rapporto tra rBMSC e rSC essendo (B) 3: 7, (C) 5: 5 e (D) 7: 3 seminati sull’osso spugnoso delle impalcature. Barre di scala, 50 m. (Da E a H) Le immagini CLSM di rSC in (E) il gruppo di monocoltura rSC e il gruppo di cocultura rBMSC-rSC con il rapporto tra rBMSC e rSC essendo (F) 3: 7, (G) 5: 5 e (H) 7: 3 seminati sul canale Haversian di impalcature.

“Qui, abbiamo ulteriormente istituito il sistema di coltura rBMSC-rSC basato sull’impalcatura a base di osso Haversian con rBMSC cresciuti nella struttura dell’osso spongioso e rSC cresciuti sui canali Haversian. I nostri risultati hanno indicato che il sistema di cocoltura rBMSC-rSC ha mostrato una migliore proliferazione e una maggiore espressione di NGF, BDNF, TrkA e S100 rispetto alla monocoltura rSC ”, hanno concluso i ricercatori. “È stato scoperto che i BMSC potevano promuovere la proliferazione di SC e venivano tradizionalmente utilizzati per facilitare il recupero del sistema sensoriale.

“Considerando le applicazioni cliniche delle impalcature che imitano l’osso Haversiano, ci sono ancora alcuni problemi da studiare. In primo luogo, un numero maggiore di cellule residenti nell’osso come osteoblasti, osteoclasti e macrofagi dovrebbe essere ulteriormente preso in considerazione nel sistema di cocoltura. Il meccanismo degli effetti sinergici multicellulari non è completamente compreso. Sono necessari ulteriori studi per identificare gli effetti individuali delle cellule di cocultura sulla formazione di nuovo osso, vasi sanguigni e nervi nel sistema di cocultura basato sull’impalcatura che imita l’osso Haversiano. “

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