Il fosfato di magnesio aiuta la rigenerazione ossea per gli impianti stampati in 3D


I ricercatori internazionali continuano la tendenza verso il superamento delle sfide nella rigenerazione ossea, condividendo i risultati del loro studio nel recentemente pubblicato “Gli impianti stampati in 3D a base di fosfato di magnesio resistenti inducono la rigenerazione ossea in un modello di difetto equino “. Quando i medici si assumono il compito di ricostruire l’osso umano, di solito c’è bisogno di materiale che non solo possa imitare il tessuto umano ma sia anche biodegradabile, rendendolo adatto per l’uso con impianti. Tali materiali devono possedere le proprietà meccaniche adeguate, presentando in molti casi ulteriori difficoltà.

Con i dati attuali che puntano verso un aumento annuale del 10% per le procedure di innesto osseo, scienziati medici e ricercatori sono più motivati ​​che mai a sviluppare nuove tecniche e sperimentare nuovi materiali, di solito legati alle impalcature. I tipici ponteggi sono composti da materiali che possono degradarsi come:

Ceramiche come l’idrossiapatite, il fosfato tricalcico o il vetro biologico
Materiali a base di Polmer come policaprolattone, pollactide-co-glicolide
Compositi

Preparazione e caratterizzazione della stampabilità dei materiali bioattivi. A) Illustrazione schematica del processo di stampa a bassa temperatura e della composizione dell’inchiostro. B) Valutazione della stampabilità. Test del filamento: diverse composizioni estruse su un pilastro di sostegno con diverse distanze. Effetto della concentrazione della ceramica sull’angolo di deflessione θ, in radianti, in funzione della metà della distanza L, in mm (n = 3 per ogni gruppo). Test di fusione: immagini dalla stereomicroscopia dopo la deposizione sui vetrini (n = 3). L’adattamento esponenziale della lunghezza del filamento fuso è normalizzato dallo spessore del filamento in funzione della distanza del filamento per le composizioni testate. C) Ponteggi progettati e stampati con varie forme di MgPSr-PCL30.

Viene generalmente utilizzata una varietà di tecniche tradizionali diverse, lasciando i ricercatori ancora a dover affrontare ostacoli come strutture inferiori, costrizioni legate alle proprietà meccaniche e sfide nella creazione di scaffold per difetti superiori a 10 mm. In questo studio, i ricercatori si sono rivolti alla stampa 3D basata sull’estrusione con la ceramica, mentre esploravano il lavoro precedente nella stampa 3D con bioceramica con idrossiapatite e policaprolattone o poli (acido lattico-co-glicolico).

I materiali precedenti potrebbero aver presentato sfide a causa della mancanza di proprietà portanti, portando i ricercatori a esplorare i compositi polimero-ceramica grazie alle migliori proprietà meccaniche; tuttavia, possono esserci problemi con una ridotta osteoinduttività a causa del mascheramento del polimero e della minore solubilità. Tuttavia, il cemento fosfato di magnesio (MPC) e gli ioni metallici nel fosfato di calcio (CPC) mostrano un potenziale migliore per la rigenerazione ossea:

“Recentemente, i materiali di fosfato di magnesio (MgP) hanno catturato una crescente attenzione a causa della loro elevata solubilità in vivo e della bassa tendenza a trasformarsi in fasi di CaP meno solubili in condizioni fisiologiche”, hanno affermato i ricercatori.

Valutazione in vitro della bioattività degli scaffold stampati. A) immagini confocali dal saggio di colorazione dei morti vivi durante 14 giorni di coltura di eMSC in terreni basali. B) Risultati quantificati della distribuzione di cellule vive e morte per scaffold. C e G) immagini di fosfatasi alcalina (ALP) dei campioni stampati. I livelli di attività dell’ALP sono stati normalizzati al contenuto di DNA. D e H) Formazione di matrice calcificata da eMSC studiata utilizzando la colorazione con Alizarin Red S dopo 30 giorni di coltura. Quantità quantificata di matrice calcificata valutata dal contenuto di Alizarin Red S sugli scaffold stampati in 3D utilizzando un test colorimetrico. Le barre della scala rappresentano 1 mm. E e I) XRD e F e J) Analisi FTIR degli scaffold dopo la coltura di eMSC. I picchi corrispondenti all’idrossiapatite sono contrassegnati da cerchi rossi. (Per l’interpretazione dei riferimenti al colore in questa legenda delle figure,

Altri ioni come Sr 2+ , in CaP e MgP. i materiali possono anche consentire la rigenerazione. In questo studio, gli autori sono stati in grado di stampare in 3D scaffold realizzati con fosfato di magnesio, controllando le proprietà necessarie con l’uso del PCL, un comune materiale termoplastico utilizzato nella rigenerazione ossea. Hanno anche aggiunto piccole quantità di ioni Sr 2+ biologicamente attivi , valutando i materiali prima in un mezzo basale e osteogenico (in vitro) e poi in un modello di difetto di coxae del tubero equino (in vivo).

I ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D Discovery per estrudere la pasta attraverso un ugello conico 22G, con pressione di erogazione di 0,9 bar per la stampa continua a temperatura ambiente. Campioni cilindrici e rettangolari di varie dimensioni sono stati stampati in 3D per lo studio.

Preparazione e impianto dello studio in vivo. A) Rappresentazione schematica dell’impianto di costrutti cilindrici nel tuber coxae equino. B) Disegno e fotografia degli impianti stampati di grandi dimensioni (10 mm × 10 mm). C) Viste intraoperatorie della procedura chirurgica, che mostrano un difetto vuoto e un difetto riempito con la struttura. D) Analisi μ-CT della formazione di nuovo osso dopo 6 mesi. Immagini rappresentative ricostruite di sezioni trasversali longitudinali e trasversali di difetti impiantati con MgPSr-PCL30 e difetto vuoto dopo 6 mesi in vivo (barra della scala = 10 mm).

Infine, si è scoperto che MgPSr e PCL migliorano sostanzialmente la risposta osteogenica per la coltura in vitro e sono noti come “in grado di riparare efficacemente un difetto osseo di dimensioni critiche”, con l’impianto all’interno dei modelli di tuber coxae equino per sei mesi. Il 30% in peso di PCL ha eliminato crepe e cedimenti prematuri, un vantaggio dell’utilizzo della ceramica in presenza di siti portanti. Uno dei punti di maggior successo di questo studio, tuttavia, sono state le proprietà meccaniche di compressione dei compositi MgPSr-PCL30 che agiscono “nella gamma dell’osso spongioso nativo”.

Valutazione istologica dopo 6 mesi di studio in vivo per modello equino. A) Valutazione istologica del nuovo osso (*) all’interno degli scaffold MgPSr-PCL30 dopo 6 mesi. Ematossilina ed eosina rappresentative, campioni di MMA colorati con fucsina basica / blu di metilene, colorazione immunoistochimica per il collagene di tipo I (regione marrone) e sezioni di tessuto macchiate di rosso picrosirius di difetti riempiti da scaffold MgPSr-PCL30 (S) e di difetti vuoti. La barra della scala è di 50 μm. B) Analisi EDX dell’osso neoformato. Immagine rappresentativa della BSE di osso neoformato adiacente al montante dell’impalcatura. C) Analisi di calcio e fosforo per osso neoformato e nativo.

Anche dopo una rapida e nota degradazione in vitro, gli impianti hanno mostrato un’adeguata capacità di carico. L’impalcatura è risultata sia osteoconduttiva che osteoinduttiva, supportando la rigenerazione ossea attorno all’impianto, oltre a “colmare” il difetto osseo.

“È interessante notare che l’analisi EDX dell’osso neoformato ha rivelato una composizione minerale e un rapporto Ca / P simile all’osso equino nativo, che ha confermato le proprietà osteopromotive dei materiali dello scaffold di sviluppo”, hanno affermato i ricercatori.

I risultati riflettono scaffold forti e stabili e un sistema praticabile per l’ingegneria dei tessuti e la rigenerazione ossea. Anche molti altri studi sono stati promettenti, nonostante le difficoltà nell’attività di rigenerazione ossea, dalla ricerca mirata ad aree come l’ osso mascellare per la rigenerazione , utilizzando altri materiali come il titanio e fabbricando altri scaffold complessi .

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