Ricostruzione accelerata del difetto osseo della calvaria di ratto mediante 3D

May 20, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12145 (2023) Citare questo articolo

242 accessi

Dettagli sulle metriche

L'autoguarigione e l'innesto osseo autologo dei difetti della calotta cranica possono essere impegnativi. Pertanto, la fabbricazione di impalcature per una riparazione rapida ed efficace è un campo di ricerca promettente. Questo articolo ha fornito uno studio comparativo sulla capacità degli scaffold in policaprolattone (PCL) stampati tridimensionali (3D) e modificati in PCL con gli scaffold in bioceramica di idrossiapatite (HA) e bioglasses (BG) nell'osso neoformato nell'area del difetto della calvaria. Gli scaffold PCL studiati stampati in 3D sono stati fabbricati mediante modellazione strato per strato con deposizione fusa. Dopo la valutazione dell'adesione cellulare sulla superficie degli scaffold, questi sono stati impiantati in un modello di difetto del calvario di ratto. I ratti sono stati divisi in quattro gruppi con innesto di impalcatura comprendente PCL, PCL/HA, PCL/BG e PCL/HA/BG e un gruppo di controllo senza espianto. La capacità degli scaffold stampati in 3D nella rigenerazione ossea del cranio è stata studiata utilizzando la scansione di micro tomografia computerizzata e analisi istologiche e immunoistochimiche. Infine, sono stati studiati anche i livelli di espressione di diversi geni correlati alle ossa, nonché l'espressione di miR-20a e miR-17-5p come regolatori positivi e di miR-125a come regolatore negativo nei percorsi dell'osteogenesi. I risultati di questo studio comparativo hanno dimostrato che gli scaffold PCL con bioceramica HA e BG hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni nel campo del trattamento dei difetti della calvaria.

Il tipo più comune di lesione è la frattura ossea che può essere causata dall'invecchiamento, da problemi metabolici, da incidenti o da traumi1. L'osso ha la capacità di rigenerarsi e ripararsi in caso di piccole lesioni2,3. Ma le fratture ossee di grandi dimensioni richiedono il trapianto, il che rappresenta una sfida clinica significativa4. La rigenerazione ossea mediante impianto di matrice nell'area interessata rappresenta un approccio alternativo5. Un altro metodo adatto per il trattamento delle fratture ossee, dell’osteoporosi e delle anomalie ossee è l’ingegneria del tessuto osseo, che combina materiali ingegnerizzati, tecnologia biomedica e cellule staminali rinnovabili6. Gli scaffold ingegnerizzati influenzano in modo significativo il trasporto di massa e supportano la proliferazione, l'adesione e la crescita cellulare7. Biodegradabilità controllata, resistenza meccanica adeguata e struttura dei pori interconnessi con la dimensione dei pori e la porosità desiderate per la crescita cellulare sono le caratteristiche di uno scaffold ideale8,9. Un'impalcatura ossea adeguata dovrebbe avere un sistema poroso interconnesso con una porosità di circa il 65% e una dimensione dei pori di circa 200–800 µm, per imitare la struttura porosa di un osso naturale10. C’è un grande interesse nello sviluppo di metodi di costruzione per aumentare la funzionalità delle impalcature. La tecnologia di stampa tridimensionale (3D) è stata ampiamente utilizzata nel campo dell'ingegneria biomedica della rigenerazione dei tessuti, che utilizza software di progettazione assistita da computer (CAD) per costruire strutture 3D complesse11,12,13. Con il progresso della tecnologia medica, i chirurghi sono stati in grado di scansionare i difetti del cranio dei pazienti mediante uno scanner per tomografia computerizzata (CT) e preparare un modello di impalcatura 3D basato su dati digitali utilizzando biomateriali per aiutare a ricostruire le deformità del cranio14,15,16,17,18 . Una delle tecnologie di stampa 3D più comuni ed economiche è la tecnica di modellazione a deposizione fusa (FDM), che può essere utilizzata per fabbricare impalcature iniettando i biomateriali strato per strato da un ugello a temperatura controllata17. Un esempio di biomateriali è il poli-ε-caprolattone (PCL), un polimero biocompatibile, approvato dalla Food and Drug Administration (FDA). Ma il PCL non è adatto all’adesione e alla proliferazione cellulare a causa della sua idrofobicità superficiale19. Pertanto, l’uso di questo polimero può essere limitato nella costruzione di scaffold per l’ingegneria tissutale. Per risolvere questo problema, vengono utilizzate ceramiche bioattive come l'idrossiapatite (HA) e i vetri bioattivi (BG), che sono simili alla fase minerale ossea, per migliorare l'attaccamento cellulare degli scaffold PCL. Gli scaffold in ceramica bioattiva possono dar luogo a forti legami chimici con il tessuto osseo, a causa della formazione di strati ossei simili a HA20. Pertanto, le ceramiche bioattive sono i materiali più utilizzati nell’ingegneria dei tessuti ossei grazie al loro elevato potenziale di legame con l’osso e al loro effetto stimolante sulla formazione di nuovo osso21. L'HA (Ca5(PO4)3(OH)) è un componente minerale naturale dell'osso e mostra eccellenti proprietà di bioattività, biocompatibilità, bioconduttività, non tossicità e non infiammatorie. È molto duro ma fragile e la sua velocità di degradazione all'interno del corpo è molto lenta, per questo motivo viene utilizzato insieme a polimeri naturali o sintetici per realizzare impalcature22. L'HA è benefico per la formazione ossea perché stimola fattori di crescita come le proteine ​​morfogenetiche ossee (BMP)23. BG è una delle bioceramiche più promettenti con una buona biocompatibilità in vitro e in vivo e dopo essere stata inserita nel fluido biologico, BG produce strati bioattivi di HA, che si legano ai tessuti biologici e migliorano la formazione ossea. Gli svantaggi del BG sono la sua bassa resistenza e fragilità24. I microRNA (miRNA) sono una classe di RNA a filamento singolo endogeni, conservati evolutivamente, di circa 21-23 nucleotidi di lunghezza, che agiscono come regolatori post-trascrizionali prendendo di mira le regioni 3′non tradotte (UTR) di mRNA target per coordinare un'ampia gamma di processi biologici25. Negli ultimi anni, la relazione tra miRNA e formazione ossea ha attirato molta attenzione. Gli studi hanno dimostrato che i miRNA hanno un effetto regolatore sulla differenziazione osteoblastica e sullo sviluppo osseo26.