Кость — это сильно васкуляризированная ткань, и связь между ангиогенезом (образованием кровеносных сосудов) и заживлением кости давно обсуждается научным сообществом, и несколько исследований описывают нарушение заживления кости из-за отсутствия или снижения ангиогенеза. Традиционные подходы, такие как трансплантация, часто приводят к осложнениям из-за недостаточного снабжения имплантатов сосудами, что приводит к плохой интеграции и некротизации ткани.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из IBEC во главе с Оскаром Кастаньо, старшим научным сотрудником группы «Биоматериалы для регенеративной терапии», разработали новый подход, недавно опубликованный в журнале Biomaterials Advances. Они применили методы 3D-биопечати для разработки стеклянных каркасов на основе полимолочной кислоты и фосфата кальция, которые поддерживают ангиогенез и созревание сосудов .
Кость состоит из неминерализованной органической части (в основном коллагена) и минерализованной неорганической части (в основном гидроксиапатита). В этой структуре 3D-пористость необходима для обеспечения транспорта питательных веществ и кислорода, а также для васкуляризации, инфильтрации клеток и удаления отходов.
Подход исследователей был основан на использовании стеклянных каркасов на основе фосфата кальция (CaP) для улучшения свойств полимолочной кислоты (PLA) с целью получения материала, соответствующего химическим, механическим и биологическим потребностям костной ткани.
Новые каркасы PLA-CaP обеспечивают адекватную васкуляризацию, которая не только заживляет ткани, но и обеспечивает эффективную регенерацию, что приводит к уменьшению или устранению рубцевания костей. Для создания этих каркасов исследователи использовали 3D-печать, чтобы добиться точного контроля над геометрией каркаса , пористостью и характеристиками поверхности.
«Этот инновационный метод позволяет создавать настраиваемые каркасы, имитирующие структуру натуральной кости, что необходимо для улучшения инфильтрации клеток и обмена питательными веществами в процессе заживления», — объясняет Селия Хименес-Карбальо, первый автор исследования.
Тесты, проведенные in vitro, показали, что 3D-печатные каркасы поддерживают пролиферацию человеческих мезенхимальных стволовых клеток и стимулируют секрецию фактора роста эндотелия сосудов — критического фактора, способствующего образованию кровеносных сосудов. Кроме того, каркасы поддерживают высвобождение ионов кальция на физиологическом уровне, еще один элемент, жизненно важный для поддержки васкуляризации.
С другой стороны, тестирование каркасов in vivo с использованием подкожной мышиной модели также продемонстрировало многообещающие результаты. Всего через неделю после имплантации каркасы продемонстрировали хорошую интеграцию и заметную инфильтрацию кровеносных сосудов. Каркасы PLA-CaP были особенно эффективны, продемонстрировав повышенное созревание сосудов через четыре недели без признаков сосудистой регрессии.
Анализ кровеносных сосудов показал, что стенки сосудов изначально были тонкими, но со временем стали толще и стабильнее. Эта прогрессия указывает на то, что каркасы не только обеспечивают первоначальную поддержку для роста кровеносных сосудов, но и способствуют созданию благоприятной среды для прочной васкуляризации, необходимой для регенерации костей.
«Мы считаем, что наши 3D-печатные каркасы могут произвести революцию в подходе к регенерации костей. Улучшая васкуляризацию, мы можем значительно улучшить результаты заживления и снизить вероятность осложнений, связанных с традиционными методами трансплантации», — сказал Кастаньо.
Разработка этих усовершенствованных каркасов подчеркивает синергетические эффекты объединения технологии 3D-печати с биоактивными материалами, такими как частицы, высвобождающие кальций. Архитектура каркасов PLA-CaP не только способствует улучшению васкуляризации, но и поддерживает остеогенез, прокладывая путь для более эффективных стратегий заживления костей с потенциалом снижения частоты отторжения трансплантата.
