Gli idrogel compositi possono incorporare polimeri naturali e vetro bioattivo come materiali promettenti per la rigenerazione ossea accelerata. Tuttavia, le applicazioni di tali costrutti sono limitate dalla scarsa compatibilità tra fasi organiche e inorganiche.
Xinxin Ding e un team di ricerca in medicina, a Shanghai in Cina, in un nuovo studio pubblicato su Science Advances, hanno formato idrogel rinforzato elettrostaticamente (abbreviato CAG) con una migliore compatibilità interfacciale, per ottenerlo, hanno introdotto il vetro bioattivo ammino funzionalizzato nella matrice di alginato/gomma di gellano. Rispetto al vetro bioattivo, idrogel rinforzato elettrostaticamente ha indicato una struttura porosa più uniforme con una dimensione dei pori di 200 µm e una resistenza alla compressione ottimale di 66 kPa.
Il team di ricerca utilizzando idrogel rinforzato, ha promosso la transizione fenotipica dei macrofagi e ha sovra regolato l’espressione genica osteogenica delle cellule staminali. Hanno mostrato come anche la formazione di nuovo osso sia stata accelerata in vivo con una biomineralizzazione potenziata con idrogel rinforzato elettrostaticamente, con una biocompatibilità ideale per la rigenerazione ossea.
Rigenerazione ossea in clinica
Il team di Xinxin Ding in questo studio, ha sviluppato idrogel ibridi stabilendo legami interfacciali tra diverse fasi. I difetti ossei si verificano tipicamente in pazienti con traumi gravi, osteite e altre deformità ossee che sono sempre più costose da riparare. I metodi di riparazione ossea efficiente rappresentano ancora una sfida per i medici, pertanto i progressi nella scienza dei materiali hanno portato allo sviluppo di nuovi biomateriali per migliorare i metodi di rigenerazione ossea. I ricercatori hanno sviluppato idrogel a base di biopolimeri naturali con un’eccezionale biocompatibilità e biodegradabilità. Tra i vari polimeri naturali, alginato e gomma di gellano presentano un potenziale per applicazioni cliniche, poiché sono economicamente fattibili e facilmente gelificabili utilizzando ioni calcio. Gli idrogel fatti di gomma di gellano possono anche indurre un’osteogenesi soddisfacente con somiglianza strutturale porosa con il tessuto osseo naturale per l’attacco cellulare e la differenziazione osteogenica. Le proprietà meccaniche degli idrogel puri, nonostante i metodi esistenti, sono insufficienti per la riparazione dei difetti ossei in vivo. Poiché è complesso sintetizzare ibridi con legami interfacciali covalenti tra fasi diverse, i collegamenti incrociati non covalenti sono un metodo più pratico per le applicazioni cliniche.
Sviluppo di un nuovo idrogel ibrido
Il team ha sviluppato idrogel rinforzato elettrostaticamente composto da vetro bioattivo cationico amino-modificato (NBG) e gomma di gellano anionico (AG). Hanno migliorato la compatibilità interfacciale formando interazioni elettrostatiche tra fase organica e inorganica.
Il team di Xinxin Ding per migliorare la rete di gelificazione degli idrogeli, ha utilizzato ioni calcio per la reticolazione ionica, come controllo, ha sviluppato un tipo di vetro bioattivo (BAG) mescolando vetro bioattivo non funzionalizzato (BG) e gomma di gellano (AG).
I ricercatori miravano a creare una rete di gelificazione autoassemblata di idrogel con una maggiore capacità di assottigliamento e autoriparazione. Il loro obiettivo era formare gli idrogel con interazioni elettrostatiche tra i compositi costituenti, caratterizzare le proprietà fisico-chimiche degli idrogel e studiare la capacità rigenerativa ossea di diversi idrogel. Il team di ricerca ha preparato il NBG (vetro bioattivo amino-modificato) e il CAG (idrogel rinforzato elettrostaticamente) miscelando fisicamente i componenti, seguito dalla spettroscopia fotoelettronica a raggi X e test del potenziale Zeta per studiare le interazioni elettrostatiche negli idrogel e identificare i gruppi amminici innestati su NBG.
Analizzare la struttura degli idrogel
Il team di ricerca utilizzando spettri rappresentativi dell’infrarosso in trasformata di Fourier (FTIR), ha quindi analizzato i tre tipi di materiali. Utilizzando diffrattometri a raggi X, ha compreso e rilevato le potenziali fasi cristalline negli idrogel.
Xinxin Ding e il suo team, successivamente ha studiato l’effetto delle particelle sulla microstruttura dello idrogel e ha rilevato le morfologie del vetro bioattivo (BG) e del vetro bioattivo ammino-modificato (NBG) tramite microscopia elettronica a scansione. Gli scienziati hanno attribuito al metodo sintetico la presenza di particelle omogenee di NBG e successivamente hanno analizzato la morfologia della microstruttura degli idrogel rilevando immagini trasversali mediante SEM, dove le superfici porose della gomma di gellano (AG) erano lisce; nel frattempo, l’incorporazione di particelle inorganiche ha influito sostanzialmente sulla morfologia strutturale dei biomateriali. Il team di ricerca ha anche notato l’architettura porosa tridimensionale (3D) identica di BAG (il nuovo tipo di controllo del vetro bioattivo) e CAG (idrogel rinforzato elettrostaticamente).
Proprietà fisico-chimiche di diversi idrogel
Gli idrogel poiché sono noti per la loro proprietà di rigonfiamento, una delle caratteristiche fisiche più importanti del materiale, gli idrogel rigonfi, favorivano lo scambio di sostanze assorbendo i nutrienti dall’ambiente esterno. Xinxin Ding e il suo team incorporando il vetro bioattivo in questo lavoro, ha ridotto significativamente il rapporto di rigonfiamento di BAG (il nuovo vetro bioattivo ) rispetto alla gomma di gellano. Le proprietà di ritenzione dei liquidi del materiale hanno permesso l’infiltrazione di cellule negli scaffold (sono materiale nanocomposito polimerico biocompatibile, ingegnerizzati al fine di permettere una miglior adesione, crescita, differenziazione e diffusione cellulare, definendo la forma finale dell’organo o tessuto da rigenerare), e ha facilitato il trasporto efficiente dei nutrienti tra la matrice extracellulare e idrogel. Le cellule incapsulate dopo l’impianto in vivo, sono state in grado di crescere bene in un ambiente ricco di sostanze nutritive. Tuttavia, poiché gli idrogel in genere si degradano dopo l’impianto nel corpo umano, le impalcature possono degradarsi a una velocità paragonabile alla rigenerazione dei tessuti. Gli scienziati hanno studiato il comportamento di degradazione degli idrogel rilevando la variazione nel peso del gel nel tempo. Il tasso di degradazione stabile del biomateriale CAG (idrogel rinforzato elettrostaticamente) ha permesso la sua ritenzione nello spazio osteogenico per lungo tempo dopo l’impianto con benefici per l’osteogenesi. I ricercatori hanno inoltre studiato le proprietà meccaniche degli idrogel tramite reologia e esperimenti di resistenza alla compressione.
Risposta immunitaria e differenziazione osteogenica delle cellule sui biomateriali in vitro
Gli scienziati dei materiali monitorano attentamente la maggior parte dei nuovi materiali sostitutivi ossei per le risposte immunitarie nel sito del difetto. Xinxin Ding e il suo team hanno studiato la capacità di migrazione cellulare e l’espressione genica infiammatoria per determinare la risposta immunitaria dopo il trattamento con idrogel. Entrambi i biomateriali BAG e CAG hanno mostrato una migrazione cellulare migliorata rispetto ad altri controlli e hanno indicato un’induzione di successo delle risposte immunitarie. Il team di ricerca per comprendere la biocompatibilità cellulare, ha soddisfatto i parametri della morfologia cellulare e della migrazione sugli idrogel per la rigenerazione precoce dei tessuti, per fare questo, ha usato cellule staminali del midollo osseo di ratto e li ha coltivati sui biomateriali. Il biomateriale CAG ha aiutato l’adesione e la diffusione delle cellule, mentre i gruppi amminici sulla superficie del NBG hanno consentito l’adsorbimento delle proteine per la migrazione cellulare, mentre il BAG non ha mostrato idoneità all’adesione cellulare.
Prospettive: potenziale di formazione ossea degli idrogel in vivo
Il team di ricerca date le prestazioni osteogeniche migliorate, ha successivamente studiato il materiale in un modello di difetto cranico di ratto per rilevare la capacità rigenerativa ossea degli idrogel in vivo. Hanno notato una risposta infiammatoria al momento dell’impianto, che ha portato al reclutamento di un gran numero di macrofagi nel sito del difetto.
Xinxin Ding e il suo team ha anche notato l’aumentata espressione di cellule staminali del midollo osseo nel sito del difetto, utilizzando l’immunoistochimica, hanno attribuito il reclutamento migliorato delle cellule alla morfologia del CAG, che conteneva pori relativamente più grandi per facilitare il reclutamento delle cellule e la crescita dell’osso nel sito del difetto, al fine di accelerare la riparazione ossea.
Ulteriori studi includevano metodi di microtomografia computerizzata e colorazione istologica, insieme all’etichettatura sequenziale in fluorescenza per comprendere la rigenerazione ossea tra diversi biomateriali. Xinxin Ding e il suo team in questo modo hanno mostrato come una migliore biocompatibilità interfacciale tra le diverse fasi abbia contribuito al miglioramento degli idrogel compositi. I diversi biomateriali hanno potenziato la capacità di rigenerazione ossea e hanno fornito un metodo conveniente per sviluppare nuovi idrogel compositi che possono essere tradotti per applicazioni cliniche.