Ускоренная реконструкция дефекта кости черепа крысы с использованием 3D

May 20, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12145 (2023) Цитировать эту статью

242 доступа

Подробности о метриках

Самозаживление и аутологичная костная пластика дефектов свода черепа может быть сложной задачей. Поэтому изготовление строительных лесов для их быстрого и эффективного ремонта является перспективным направлением исследований. В данной статье представлено сравнительное исследование способности трехмерных (3D) напечатанных каркасов из поликапролактона (PCL) и биокерамических каркасов, модифицированных гидроксиапатитом (HA) и биостеклом (BG), в новообразованной кости в области дефекта черепа. Исследуемые каркасы PCL, напечатанные на 3D-принтере, были изготовлены методом послойного моделирования методом наплавления. После оценки адгезии клеток на поверхности каркасов их имплантировали в модель дефекта черепа крысы. Крысы были разделены на четыре группы с каркасным трансплантатом, включая PCL, PCL/HA, PCL/BG и PCL/HA/BG, и контрольную группу без эксплантата. Способность 3D-печатных каркасов к регенерации костей свода черепа исследовали с помощью микрокомпьютерной томографии, гистологического и иммуногистохимического анализа. Наконец, были также исследованы уровни экспрессии нескольких генов, связанных с костями, а также экспрессия миР-20а и миР-17-5p в качестве положительных регуляторов и миР-125а в качестве отрицательного регулятора путей остеогенеза. Результаты сравнительного исследования показали, что каркасы PCL с биокерамикой HA и BG имеют широкий спектр потенциального применения в области лечения дефектов свода черепа.

Наиболее распространенным типом травмы является перелом кости, который может быть вызван старением, метаболическими нарушениями, несчастными случаями или травмой1. Кость обладает способностью регенерировать и восстанавливаться при небольших травмах2,3. Но большие переломы костей требуют трансплантации, что представляет собой серьезную клиническую проблему4. Альтернативным подходом является регенерация кости посредством имплантации матрицы в пораженную область5. Еще одним подходящим методом лечения переломов костей, остеопороза и аномалий костей является инженерия костной ткани, которая сочетает в себе инженерные материалы, биомедицинские технологии и возобновляемые стволовые клетки6. Сконструированные каркасы существенно влияют на массоперенос и поддерживают пролиферацию, адгезию и рост клеток7. Контролируемая биоразлагаемость, подходящая механическая прочность и взаимосвязанная пористая структура с желаемым размером пор и пористостью для роста клеток являются характеристиками идеального каркаса8,9. Подходящий костный каркас должен иметь взаимосвязанную пористую систему с пористостью около 65% и размером пор примерно 200–800 мкм, чтобы имитировать пористую структуру натуральной кости10. Существует большой интерес к разработке методов строительства, повышающих функциональность строительных лесов. Технология трехмерной (3D) печати широко используется в области инженерии регенерации биомедицинских тканей, в которой используется программное обеспечение компьютерного проектирования (САПР) для создания сложных трехмерных структур11,12,13. Благодаря развитию медицинских технологий хирурги смогли сканировать дефекты черепа пациентов с помощью компьютерной томографии (КТ) и подготовить трехмерную модель каркаса на основе цифровых данных с использованием биоматериалов, чтобы помочь восстановить деформации черепа14,15,16,17,18 . Одной из наиболее распространенных и экономически эффективных технологий 3D-печати является метод моделирования наплавлением (FDM), который можно использовать для изготовления каркасов путем впрыскивания биоматериалов слой за слоем из сопла с регулируемой температурой17. Примером биоматериалов является поли-ε-капролактон (PCL), биосовместимый полимер, одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA). Но PCL не подходит для прикрепления и пролиферации клеток из-за гидрофобности его поверхности19. Поэтому использование этого полимера может быть ограничено при создании каркасов тканевой инженерии. Чтобы решить эту проблему, для улучшения прикрепления клеток каркасов PCL используются биоактивные керамики, такие как гидроксиапатит (HA) и биоактивные стекла (BG), которые аналогичны минеральной фазе кости. Биоактивные керамические каркасы могут образовывать прочные химические связи с костной тканью за счет образования ГК-подобных слоев костей20. Таким образом, биоактивная керамика является наиболее широко используемым материалом в инженерии костной ткани из-за ее высокого потенциала связывания с костью и стимулирующего воздействия на образование новой кости21. ГК (Ca5(PO4)3(OH)) является природным минеральным компонентом костей и демонстрирует превосходную биологическую активность, биосовместимость, биопроводимость, нетоксичность и невоспалительные свойства. Он очень твердый, но хрупкий, а скорость его разложения внутри организма очень низкая, поэтому его используют вместе с природными или синтетическими полимерами для изготовления каркасов22. ГК полезна для формирования костной ткани, поскольку она стимулирует факторы роста, такие как костные морфогенетические белки (BMP)23. БГ является одной из наиболее перспективных биокерамик с хорошей биосовместимостью in vitro и in vivo, а после помещения в биологическую жидкость БГ образует биоактивные слои ГК, которые связываются с биологическими тканями и улучшают костеобразование. Недостатками BG являются его низкая прочность и хрупкость24. МикроРНК (миРНК) представляют собой класс эндогенных, эволюционно консервативных, одноцепочечных РНК длиной примерно 21–23 нуклеотида, действующих как посттранскрипционные регуляторы, нацеливаясь на 3'-нетранслируемые области (UTR). целевых мРНК для координации широкого спектра биологических процессов25. В последние годы взаимосвязь между микроРНК и формированием костей привлекла большое внимание. Исследования показали, что микроРНК оказывают регуляторное влияние на дифференцировку остеобластов и развитие костей26.