بررسی رفتار سلول‌‌های MG63 بر روی داربست‌‌های سه‌بعدی پلی‌‌کاپرولاکتون و پلی‌‌کاپرولاکتون/کلاژن برای بازسازی استخوان

فصلنامه زیست شناسی جانوری

دوره 16، شماره 1، آذر 1402، صفحه 113-130   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22034/ascij.2023.1980337.1470

نویسندگان

زهرا ابراهیمی¹؛ شیوا ایرانی¹؛ عبدالرضا اردشیری لاجیمی²؛ احسان سیدجعفری^{* 3}

¹گروه زیست شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

²مرکز تحقیقات سلول‌‌های بنیادی در مجاری ادراری تناسلی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران

³گروه زیست فناوری، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

چاپ سه‌بعدی داربست‌‌ها در دمای پایین نویدبخش زیادی برای ساخت جایگزین‌‌های مصنوعی پیوند استخوان با عملکرد بیشتر نسبت به تکنیک‌‌های سنتی است. یکی از امیدوارکننده‌‌ترین استراتژی‌‌ها در مهندسی بافت استخوان روی توسعه داربست‌‌های biomimetic متمرکز شده است. داربست‌‌ها با پایه سرامیک با توانایی استئوژنیک و خواص مکانیکی، کاندیدای امیدوارکننده‌‌ای برای ترمیم استخوان هستند. هدف از این مطالعه متناسب‌‌سازی انعطاف‌‌پذیری و خاصیت القای استخوان داربست سه‌بعدی پلی‌‌کاپرولاکتون (PCL) تهیه شده با روش مدل رسوب ذوب شده (FDM)، با استفاده از تلفیق کلاژن (COL) به عنوان پلیمر طبیعی همراه با پلیمر مصنوعی و بررسی رفتار سلول‌‌های  MG63بر روی آن بود. بعد از تهیه داربست، از آزمون‌‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی پراش انرژی ایکس (EDX) و طیف‌‌سنجی ATR-FTIR استفاده شد. پس از گذشت 1،7،14 روز، بررسی روند استخوان‌‌سازی سلول‌‌های در تیمارهای مختلف، با استفاده از رنگ‌آمیزی آلیزارین‌‌رد و فعالیت آلکالین فسفاتاز (ALP) صورت گرفت. همچنین عدم سمیت داربست‌‌ها برای اطمینان از تکثیر سلول‌‌ها توسط آزمون MTT مورد بررسی قرار گرفت. از مشاهده زیر میکروسکوپ، مشخص شد که داربست‌‌های مهندسی بافت منافذ مربعی شکل را به طور یکنواخت توزیع و بهم متصل کرده‌‌اند. داربست COL/PCL تفاوت معنی‌‌داری را از لحاظ قابلیت بقا نسبت به داربست PCL تنها در محیط تمایزی نشان داد (P ≤ 0.0001). نتایج ارزیابی فعالیت ALP در داربست PCL/COL به طور معنی‌‌داری بالاتر از داربست PCL بدون پوشش و کنترل بود (P ≤ 0.0001). نتایج بدست آمده در این تحقیق نشان داد استفاده از داربست PCL به همراه COL می‌تواند به عنوان محیط مناسبی به منظور تکثیر و تمایز سلول‌‌های MG63 در نظر گرفته شود. بنابراین، داربست‌‌ کامپوزیت PCL/COL که توسط چاپگر FDM تهیه شده‌اند، بدلیل بقای سلولی بواسطه COL است، می‌تواند کاربرد وسیع‌‌تری در مهندسی بافت استخوان داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

پلی‌‌کاپرولاکتون؛ کلاژن؛ سلول‌‌های بنیادی؛ داربست سه‌بعدی؛ مهندسی بافت استخوان

مراجع

1. Abdal-hay A., Raveendran N. T., Fournier B., Ivanovski S. 2020. Fabrication of biocompatible and bioabsorbable polycaprolactone/magnesium hydroxide 3D printed scaffolds: Degradation and in vitro osteoblasts interactions. Composites Part B: Engineering, 197, 108158.
2. Abnosi M and Dehdehi L. 2012. Study of morphology and biochemistry of rat bone marrow mesenchymal stem cells before and after osteogenic differentiation: a comparative study. of Cell and Tissue, Vol. 3, pp. 103-111.
3. Alksne M., Kalvaityte M., Simoliunas E., Rinkunaite I., Gendviliene I., Locs J., Rutkunas V., Bukelskiene V. 2020. In vitro comparison of 3D printed polylactic acid/hydroxyapatite and polylactic acid/bioglass composite scaffolds: Insights into materials for bone regeneration. J Mech Behav Biomed Mater, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103641
4. Amiruddin H., Bin Abdollah M.F., Norashid N.A. 2019. Comparative study of the tribological behaviour of 3d-printed and moulded abs under lubricated condition, Res. Express, 6. 085328.
5. Arab‐Ahmadi S., Irani S., Bakhshi H., Atyabi F., Ghalandari B. 2021. Immobilization of carboxymethyl chitosan/laponite on polycaprolactone nanofibers as osteoinductive bone scaffolds. Polymers for Advanced Technologies, 32(2), 755-765.
6. Black CR., Goriainov V., Gibbs D., Kanczler J., Tare RS., Oreffo RO. 2015. Bone tissue engineering. Current molecular biology reports, 1(3):132-40.
7. Bishop ES., Mostafa S., Pakvasa M., Luu HH., Lee MJ., Wolf JM., et al. 2017. 3-D bioprinting technologies in tissue engineering and regenerative medicine: Current and future trends. Genes & diseases, 4(4):185-95.
8. Caetano, Guilherme Ferreira, Bártolo, Paulo Jorge, Domingos, Marco, Oliveira, Carolina Caliari, Leite, Marcel Nani, & Frade, Marco Andrey Cipriani. (2015). Osteogenic Differentiation of Adipose-derived Mesenchymal Stem Cells into Polycaprolactone (PCL) Scaffold. Procedia Engineering, 110, 59-66.
9. Chocholata P., Kulda V., and Babuska V. 2019. Fabrication of Scaffolds for Bone-Tissue Regeneration. Materials, 12(4): p. 568.
10. Colazo JM., Evans BC., Farinas AF., Al-Kassis S., Duvall CL., Thayer WP. 2019. Applied Bioengineering in Tissue Reconstruction, Replacement, and Regeneration. Tissue Engineering Part B: Reviews, 25(4):259-90.
11. Dong Ch and Lv Y. 2016. Application of Collagen Scaffold in Tissue Engineering: Recent Advances and New Perspectives. Polymers.
12. Du X, Fu S, Zhu Y. 2018. 3D printing of ceramic-based scaffolds for bone tissue engineering: an overview. Journal of Materials Chemistry B, 4397-412:(27)6.
13. Gandhimathi Ch., Jie Quek Y., Ezhilarasu H., Ramakrishna S., Bay B-H., and Srinivasan D.K. 2019. Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells with Silica-Coated Gold Nanoparticles for Bone Tissue Engineering. J. Mol. Sci, 20, 5135.
14. Gerdes S., Mostafavi A., Ramesh S. 2019. Process‐Structure‐Quality Relationships of 3D Printed PCL‐Hydroxyapatite Scaffolds. Tissue Eng Part A. 26(5-6):279-291.
15. Gregory C. A., Gunn W. G., Peister A., and Prockop D. J. 2004. An Alizarin red-based assay of mineralization by adherent cells in culture: comparison with cetylpyridinium chloride extraction. Analytical biochemistry, Vol. 329, pp. 77-84.
16. Gómez-Cerezo N., Casarrubios L., Saiz-Pardo M., Ortega L., De Pablo D., Díaz-Güemes I., Portolés M. 2019. Mesoporous bioactive glass/ɛ-polycaprolactone scaffolds promote bone regeneration in osteoporotic sheep. Acta Biomaterialia, 90, 393-402.
17. Haleem A., Javaid M., Khan RH., Suman R. 2020. 3D printing applications in bone tissue engineering. Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma, 11: S118-S24.
18. He Y., Liu W., Guan L., Chen J., Duan L., Jia Z., et al. 2018. A 3D-printed PLCL scaffold coated with collagen type I and its biocompatibility. BioMed research international, 10,
19. Jammalamadaka U., Tappa K. 2018. Recent advances in biomaterials for 3D printing and tissue engineering. Journal of functional biomaterials, 9(1):22.
20. Jia L., Zhang Y., Ji Y., Li X., Xing Y., Wen Y., et al. 2019. Comparative analysis of lncRNA and mRNA expression profiles between periodontal ligament stem cells and gingival mesenchymal stem cells. Gene, 699:155-64.
21. Jaroszewicz J., Idaszek J., Choinska E., Szlazak K., Hyc H., Osiecka-Iwan A., Swieszkowski W and Moskalewski S. 2019. “Formation of calcium phosphate coatings within polycaprolactone scaffolds by simple, alkaline phosphatase based method”. Materials Science and Engineering, C, Vol. 96, pp. 319-328.
22. Khosravi A., Ghasemi-Mobarakeh L., Mollahosseini H., AjalloueianF., Masoudi Rad M., Norouzi M.R., Sami Jokandan M., Khoddami A., Chronakis L.S. 2018. Immobilization of silk fibroin on the surface of PCL nanofibrous scaffolds for tissue engineering applications. Applied polymer.
23. Klimek K and Ginalska G. 2020. Proteins and Peptides as Important Modifiers of the Polymer Sca_olds for Tissue Engineering Applications—A Review. Polymers.
24. Klippstein H., Sanchez A.D.D., Hassanin H., Zweiri Y., Seneviratne L. 2018. Fused deposition modeling for unmanned aerial vehicles (UAVS): a review, Eng. Mater, 20. 1700552.
25. Krithica N., Natarajan V., Madhan B., Sehgal PK., Mandal AB. 2011. Type I Collagen Immobilized Poly(caprolactone) Nanofibers: Characterization of Surface Modification and Growth of Fibroblasts., Advance biomaterial., 14, No. 4.
26. Li Q., Lei X., Wang X., Cai Z., Lyu P., Zhang, G. 2019. Hydroxyapatite/collagen three-dimensional printed scaffolds and their osteogenic effects on human bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Tissue Engineering Part A, 25(17-18), 1261-1271.
27. Ligon S.C., Liska R., Stampfl J., Gurr M., Mulhaupt R. 2017. Polymers for 3d printing and customized additive manufacturing, Rev, 117. 10212–10290.
28. Liu Z., Tang Y., Kang T., Rao M., Li K., Wang Q., Quan C., Zhang C., Jiang Q., and Shen H. 2015. Synergistic effect of HA and BMP-2 mimicking peptide on the bioactivity of HA/PMMA bone cement, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 131, pp. 39-46.
29. Luo Z.; Yang Y.; Deng Y.; Sun Y.; Yang H.; Wei S. 2016. Peptide-incorporated 3D porous alginate scaffolds with enhanced osteogenesis for bone tissue engineering. Colloids Surf. B Biointerfaces, 143, 243–251.
30. Ma H., Feng C., Chang J., Wu C. 2018. 3D-printed bioceramic scaffolds: From bone tissue engineering to tumor therapy. Acta biomaterialia, 79:37-59.
31. Masuda H.T., Ishihara S., Harada I., Mizutani T., Ishikawa M., Kawabata K., et al. 2014. Coating extracellular matrix proteins on a (3-aminopropyl) triethoxysilanetreated glass substrate for improved cell culture. Biotechniques. 56(4):172–9.
32. Neumann R., Neunzehn J., Hinüber C., Flath T., Schulze F. P., Wiesmann H-P. 2019. 3D-printed poly-ε-caprolactone-CaCO3-biocompositescaffolds for hard tissue regeneration. eXPRESS Polymer Letters, Vol.13, No.1. 2–17.
33. Neves MI., Wechsler ME., Gomes ME., Reis RL., Granja PL., Peppas NA. 2017. Molecularly imprinted intelligent scaffolds for tissue engineering applications. Tissue Engineering Part B: Reviews. 23(1):27-43.
34. Oh G.W., Nguyen V.T., Heo S.Y., Ko S.C., Kim C.S., et al. 2021. 3D PCL/fish collagen composite scaffolds incorporating osteogenic abalone protein hydrolysates for bone regeneration application: in vitro and in vivo studies. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 32(3), 355-371.
35. Orafa Z., Irani S., Zamanian, A., Bakhshi H., Nikukar H., et al. 2021. Coating of laponite on PLA nanofibrous for bone tissue engineering application. Macromolecular Research, 29(3), 191-198.
36. Patil V. A., Masters K. S. 2020. Engineered collagen matrices. Bioengineering, 7(4), 163.
37. Pérez-Castrillo S., González-Fernández M.L., López-González M.E., Villar-Suárez V. 2018. “Effect of ascorbic and chondrogenic derived decellularized extracellular matrix from mesenchymal stem cellso n their proliferation, viability and differentiation”, Annals of Anatomy-Anatomischer Anzeiger, Vol. 220, pp. 60-69.
38. Pranzo D., Larizza P., Filippini D., Percoco G. 2018. Extrusion-based 3d printing of microfluidic devices for chemical and biomedical applications: a topical review. Micromachines, 9. 374.
39. Raghavendran H. R. B., Mohan S., Genasan K., Murali M. R., Naveen S. V., Talebian S., McKean R., and Kamarul T.2016. Synergistic interaction of platelet derived growth factor (PDGF) with the surface of PLLA/Col/HA and PLLA/HA scaffolds produces rapid osteogenic differentiation. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 139, pp. 68-78.
40. Rane K., Strano M. 2019. A comprehensive review of extrusion-based additive manufacturing processes for rapid production of metallic and ceramic part. Manuf, 7. 155–173.
41. Rashad A., Mohamed-Ahmed S., Ojansivu M., Berstad K., Yassin M. A., et al. 2018. Coating 3D printed polycaprolactone scaffolds with nanocellulose promotes growth and differentiation of mesenchymal stem cells. Biomacromolecules, 19(11), 4307-4319.
42. Rezk A.I., Mousa H.M., Lee J., Park, C. H., Kim, C.S. 2019. Composite PCL/HA/simvastatin electrospun nanofiber coating on biodegradable Mg alloy for orthopedic implant application. Journal of Coatings Technology and Research, 16(2), 477-489.
43. Salehi M., Ai J., Lotfi bakhshaiesh N., Irani S., Ebrahimi B.S. 2019. Evaluation of adhession and viability of endometrial stem cells-derived osteoblast-like cells cultured on PLGA/HA scaffold. Journal of Developmental Biology, 11(1):1-14. [In Persian]
44. Sharifi F., Atyabi SM., Norouzian D., Zandi M., Irani S., Bakhshi H. 2018. Polycaprolactone/carboxymethyl chitosan nanofibrous scaffolds for bone tissue engineering application. International journal of biological macromolecules, 115:243-8.
45. Tao L., Zhonglong L., Ming X., Zezheng Y., Zhiyuan L., Xiaojun Z., Jinwu W. 2017. In vitro and in vivo studies of a gelatin/carboxymethyl chitosan/LAPONITE® composite scaffold for bone tissue engineering. RSC advances, 7(85), 54100-54110.
46. Teti A. 1992. Regulation of cellular functions by extracellular matrix. J Am SocNephrol, 2(10 Suppl): S83–7.
47. Wang T., Yang X., Qi X and Chaoyin Jiang. 2015. Osteoinduction and proliferation of bone-marrow stromal cells in three-dimensional poly (ε-caprolactone)/ hydroxyapatite/collagen scaffolds. Journal of Translational Medicine, 13:152.
48. Weingärtner L., Latorre S. H., Velten D., Bernstein A., Schmal H., Seidenstuecker M. 2021. The effect of collagen-i coatings of 3D printed pcl scaffolds for bone replacement on three different cell types. Applied Sciences, 11(22), 11063.
49. Zaminy A., Ragerdi Kashani I., Barbarestani M., Hedayatpour A., Mahmoudi R., and Vardasbi S. 2008. Melatonin influences the proliferative and differentiative activity of rat adipoe-derived stem cells, Yakhteh, Vol. 10, pp. 25-32.
50. Zhang W., Zhu Y., Li J., Guo Q., Peng J., Liu S., et al. 2016. Cell-derived extracellular matrix: basic characteristics and current applications in orthopedic tissue engineering. Tissue Engineering Part B: Reviews, 22(3):193-207.
51. Zhang, Q.; Lv, S.; Lu, J.; Jiang, S.; Lin, L. 2015. Characterization of polycaprolactone/collagen fibrous scaffolds by electrospinning and their bioactivity. Int. J. Macromol. 76, 94–101
52. Yang W-F., Long L., Wang R., Chen D., Duan S., Xu F-J. 2018. Surface-modified hydroxyapatite nanoparticle-reinforced polylactides for three-dimensional printed bone tissue engineering scaffolds, Biomed. Nanotechnol, 14. 294–303.