Cytokompatybilność biomateriałów złożonych z PLGA/PLLA modyfikowanych krzemionką przeznaczonych do regeneracji tkanki kostnej

• Autorzy: Leszczyńska J. , Wójtowicz J. , Słomkowski S. , Sosnowski S. , Lewandowska-Szumieł M.

Warianty tytułu

EN

Cytocompatibility of silica-modified PLGA/PLLA biomaterials for bone tissue regeneration

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Zastosowanie rusztowań poliestrowych jako biomateriałów dla regeneracji tkanki kostnej jest szeroko podejmowanym tematem badawczym. Udowodniono, że zastosowanie ceramicznych napełniaczy wpływa na poprawę cytokompatybilności, wytrzymałości mechanicznej oraz możliwości kontroli degradacji materiałów poliestrowych. W niniejszej pracy poddano obserwacjom in vitro kopolimer poli(kwasu-D,L-mlekowego-ko-glikolowego) (PLGA/PLLA) z domieszką poli(L,L-laktydu) (PLLA) modyfikowany krzemionką – jako potencjalny materiał na rusztowania do regeneracji tkanki kostnej. W siódmym dniu hodowli na badanym materiale zaobserwowano wysoką przeżywalność ludzkich komórek osteogennych oraz podwyższoną aktywność fosfatazy zasadowej w stosunku do hodowli kontrolnej, tj. na powierzchni standardowego polistyrenowego naczynia hodowlanego. Prawidłową adhezję i rozpłaszczenie komórek na badanym podłożu potwierdzono przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Długotrwała obserwacja in vitro została przerwana w trzynastym dniu hodowli ze względu na nagłe uwolnienie kwaśnych produktów końcowych degradacji materiału, które spowodowało śmierć komórek. Należy zatem brać pod uwagę, że ze względu na specyfikę hydrolizy poliestrów w przypadku litych podłoży może następować nagromadzenie produktów degradacji wewnątrz materiału, a następnie ich erupcja skutkująca gwałtownym zakwaszeniem pożywki. Biorąc pod uwagę możliwość uniknięcia tego efektu przy zastosowaniu odpowiedniej architektury rusztowań z badanego materiału i zadowalające wyniki uzyskane w niniejszej pracy, postulujemy, iż materiał PLGA/ PLLA modyfikowany krzemionką może służyć jako odpowiednie podłoże dla ludzkich komórek osteogennych w warunkach in vitro.

EN

Polyester scaffolds are widely investigated as biomaterials for bone tissue regeneration. Several ceramic fillers were proved to improve their cytocompatibility, mechanical strength and the control over their degradation. In this study, poly(L-lactide) mixed with poly(lactic acid-co-glycolic acid) (PLGA/PLLA), modified with silica filler, was investigated as a candidate material for scaffolds for bone tissue regeneration. Human bone derived cells were observed in a culture on solid disks prepared from the examined material. Cell number and viability was found to be satisfying and alkaline phosphatase activity was even higher comparing to the control (cells cultured on tissue culture polystyrene) after 7 days of culture. Cell adhesion and spreading was confirmed with a scanning electron microscope. The prolonged in vitro culture was inhibited on day 13 due to a sudden release of acidic end-products of the material degradation, which was lethal for the cells. It is postulated that silica modified PLGA/PLLA may serve as a satisfactory support for human bone cells in vitro. However, if the material is used in bulk form, the accumulation of the degradation products within the material, followed by a rapid acidification of the culture medium, should be taken into account. This phenomenon is harmful for the cells, but it may probably be avoided by using appropriate scaffold architecture.

Słowa kluczowe

PL

poliestry; krzemionka; degradacja; regeneracja tkanki kostnej

EN

polyesters; silica; degradation; bone tissue regeneration

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 14, no. 103
• Strony: 17--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Leszczyńska J.

• Zakład Biofizyki i Fizjologii Człowieka, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Chałubińskiego 5, 02-004 Warszawa, Polska

autor

Wójtowicz J.

• Zakład Biofizyki i Fizjologii Człowieka, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Chałubińskiego 5, 02-004 Warszawa, Polska

autor

Słomkowski S.

• Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych, Polska Akademia Nauk, ul. Sienkiewicza 112, 90-363 Łódź, Polska

autor

Sosnowski S.

• Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych, Polska Akademia Nauk, ul. Sienkiewicza 112, 90-363 Łódź, Polska

autor

Lewandowska-Szumieł M.

• Zakład Biofizyki i Fizjologii Człowieka, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Chałubińskiego 5, 02-004 Warszawa, Polska

Bibliografia

• [1] Hutmacher, D.W., Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials, 2000. 21(24): p. 2529-43.
• [2] Ishaug, S.L., et al., Bone formation by three-dimensional stromal osteoblast culture in biodegradable polymer scaffolds. J Biomed Mater Res, 1997. 36(1): p. 17-28.
• [3] Widmer, M.S., et al., Manufacture of porous biodegradable polymer conduits by an extrusion process for guided tissue regeneration. Biomaterials, 1998. 19(21): p. 1945-55.
• [4] Yu, N.Y., et al., Biodegradable poly(alpha-hydroxy acid) polymer scaffolds for bone tissue engineering. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2010. 93(1): p. 285-95.
• [5] Athanasiou, K.A., G.G. Niederauer, and C.M. Agrawal, Sterilization, toxicity, biocompatibility and clinical applications of polylactic acid/polyglycolic acid copolymers. Biomaterials, 1996. 17(2): p. 93-102.
• [6] Barrett, D.G. and M.N. Yousaf, Design and applications of biodegradable polyester tissue scaffolds based on endogenous monomers found in human metabolism. Molecules, 2009. 14(10): p. 4022-50.
• [7] Bostman, O., et al., Foreign-body reactions to fracture fixation implants of biodegradable synthetic polymers. J Bone Joint Surg. Br. 1990. 72(4): p. 592-6.
• [8] Lu, L., et al., In vitro and in vivo degradation of porous poly(DL-lactic-co-glycolic acid) foams. Biomaterials, 2000. 21(18): p. 1837-45.
• [9] Kim, M.S., et al., An in vivo study of the host tissue response to subcutaneous implantation of PLGA- and/or porcine small intestinal submucosa-based scaffolds. Biomaterials, 2007. 28(34): p. 5137-43.
• [10] Kim, S.S., et al., Poly(lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials, 2006. 27(8): p. 1399-409.
• [11] Aboudzadeh, N., et al., Fabrication and characterization of poly(D,L-lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite nanocomposite scaffolds for bone tissue regeneration. J Biomed Mater Res A, 2010. 94(1): p. 137-45.
• [12] He, J., Genetos D.C., and Leach J.K., Osteogenesis and trophic factor secretion are influenced by the composition of hydroxyapatite/poly(lactide-co-glycolide) composite scaffolds. Tissue Eng Part A, 2010. 16(1): p. 127-37.
• [13] Calandrelli, L., et al., Biocompatibility studies on biodegradable polyester-based composites of human osteoblasts: a preliminary screening. J Biomed Mater Res, 2002. 59(4): p. 611-7.
• [14] Bleach, N.C., et al., Effect of filler content on mechanical and dynamic mechanical properties of particulate biphasic calcium phosphate--polylactide composites. Biomaterials, 2002. 23(7): p. 1579-85.
• [15] Flahiff, C.M., et al., Analysis of a biodegradable composite for bone healing. J Biomed Mater Res, 1996. 32(3): p. 419-24.
• [16] Zhang du, J., et al., Preparation and characterization of biodegradable poly(D,L-lactide) and surface-modified bioactive glass composites as bone repair materials. J Mater Sci Mater Med, 2009. 20(10): p. 1971-8.
• [17] Thomson, R.C., et al., Hydroxyapatite fiber reinforced poly(alpha-hydroxy ester) foams for bone regeneration. Biomaterials, 1998. 19(21): p. 1935-43.
• [18] Damadzadeh, B., et al., Effect of ceramic filler content on the mechanical and thermal behaviour of poly-L-lactic acid and poly-L-lactic-co-glycolic acid composites for medical applications. J Mater Sci Mater Med, 2010. 21(9): p. 2523-31.
• [19] Ara, M., Watanabe, M., Imai, Y., Effect of blending calcium compounds on hydrolytic degradation of poly(DL-lactic acid-co-glycolic acid). Biomaterials, 2002. 23(12): p. 2479-83.
• [20] Zheng, X., et al., Effect of in vitro degradation of poly(D,L-lactide)/beta-tricalcium composite on its shape-memory properties. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2008. 86(1): p. 170-80.
• [21] Schiller, C., Epple, M., Carbonated calcium phosphates are suitable pH-stabilising fillers for biodegradable polyesters. Biomaterials, 2003. 24(12): p. 2037-43.
• [22] Cotton, N.J., Egan M.J., and Brunelle J.E., Composites of poly(DL-lactide-co-glycolide) and calcium carbonate: in vitro evaluation for use in orthopedic applications. J Biomed Mater Res A, 2008. 85(1): p. 195-205.
• [23] Gadzinowski, M., Sosnowski, S., Slomkowski, S., Poly(L,L-lactide) and poly(L,L-lactide-co-glycolide) microparticles by dialysis. e-Polymers, 2005. 084.
• [24] Wozniak, P., Sosnowski, S., Slomkowski, S., Reinforced polymer for scaffolds for bone tissue regeneration. Polish J. Appl. Chem., 2009. 53(195-2001).
• [25] Gallagher, J.A., R. Gundle, and J.N. Beresford, Isolation and culture of bone-forming cells (osteoblasts) from human bone. Methods Mol Med, 1996. 2: p. 233-62.
• [26] Scudiero, D., Shoemaker, RH., Paull, KD., Monks, Anneerney, Siobhan, et al., Evaluation of a Soluble Tetrazolium/Formazan Assay for Cell Growth and Drug Sensitivity in Culture Using Human and Other Tumor Cell Lines. Cancer Res, 1988. 48(17): p. 4827-4833.
• [27] Grizzi, I., et al., Hydrolytic degradation of devices based on poly(DL-lactic acid) size-dependence. Biomaterials, 1995. 16(4): p. 305-11.
• [28] Garric, X., et al., Growth of various cell types in the presence of lactic and glycolic acids: the adverse effect of glycolic acid released from PLAGA copolymer on keratinocyte proliferation. J Biomater. Sci. Polym. Ed, 2002. 13(11): p. 1189-201.
• [29] Shive, M.S. and J.M. Anderson, Biodegradation and biocompatibility of PLA and PLGA microspheres. Adv. Drug. Deliv. Rev. 1997. 28(1): p. 5-24.
• [30] Quarles, L.D., et al., Distinct proliferative and differentiated stages of murine MC3T3-E1 cells in culture: an in vitro model of osteoblast development. J Bone Miner Res, 1992. 7(6): p. 683-92.
• [31] Whited, B.M., et al., Pre-osteoblast infiltration and differentiation in highly porous apatite-coated PLLA electrospun scaffolds. Biomaterials, 2011. 32(9): p. 2294-304.