Hızlandırılmış Kemik Rejenerasyonu İçin Hidrojelli Biyoaktif Cam

İçindekiler

Giriş

Doğal polimerlerden olan kompozit hidrojeller ve biyoaktif cam kemik rejenarasyonu için umut vadedici materyallerdir. Ancak bu tür uygulama fikirleri organik ve inorganik fazlar arasındaki zayıf uyumluluk nedeniyle sınırlıydı. Science Advances’in bu sayısında yayınlanan yeni bir çalışmada Xinxin Ding ve Çin Şangay’daki ilaç araştırma grubu geliştirilmiş arayüz uyumluluğuyla elektrostatik olarak güçlendirilmiş bir hidrojel (CGA) oluşturdu. Bunu başarmak için, aljinat/gellan sakızı (S.elodea bakterisinin ürettiği polisakkarit) matrisine amino işlevsel biyoaktif cam eklediler. Biyoaktif camla karşılaştırıldığında, elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojelin 200 µm gözenek boyutu ve 66 kPa optimal basınç dayanımıyla daha düzgün gözenekli bir yapısı olduğu görüldü.

Ekip, güçlendirilmiş hidrojel kullanarak makrofajların fenotip geçişini destekledi ve kök hücrelerin osteojenik gen ekspresyonu seviyesini yükselttiler. Elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojelin gelişmiş biyomineralizasyonu ile yeni kemik oluşumunun in vivo (canlının içinde) olarak nasıl hızlandırıldığını ve kemik rejenarasyonu için ideal biyouyumlulukta olduğunu göstermişlerdir.

Klinik Çalışmalarda Kemik Rejenerasyonu

Bu çalışmada, Ding ve arkadaşları farklı fazlar arasındaki arayüzey bağlarını keşfederek hibrit hidrojeller geliştirdiler. Kemik kusurları genellikle hastaların şiddetli travma, osteisit ve onarılması giderek daha zor olan diğer kemik defarmasyonlarında oluşur. Klinisyenler için etkili kemik iyileşme metodları hala zorludur bu nedenle malzeme bilimindeki ilerlemeler, kemik rejenarasyonu metodlarının genişletilmesi için yeni biyomateryaller geliştirilmesine olanak sağladı. Araştırmacılar olağanüstü biyouyumluluğa sahip ve biyoçözünür olan doğal biyopolimer bazlı hidrojeller geliştirdiler.

Çeşitli doğal polimerler arasında, aljinat ve gellen sakızı ekonomik olarak daha mümkün olduklarından ve kalsiyum iyonları kullanarak kolayca jelleşebildikleri için klinik uygulamalar için potansiyel sergilerler. Gellan sakızından yapılan hidrojeller hücre tutunması ve osteojonik farklılıklar için gözenek yapısının doğal kemik yapısına benzerliğiyle yeterince osteogenezi indükleyebilir. Mevcut yöntemlere rağmen,in vivo kemik kusurları için saf hidrojellerin mekanik özellikleri yeterli değildir. Kompleks hibritler sentezlendiğinden beri farklı fazlar arasındaki kovalent arayüz bağlarıyla kovalent olmayan çapraz bağlar klinik uygulamalar için pratik bir yöntem olmuştur.

Yeni Hibrit Hidrojel Gelişimi

Ekip, katyonik amino-modifiyeli biyoaktif cam (NBG) ve anyonik gellan sakızından (AG) yapılmış elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojel geliştirmişlerdi. Arayüz uyumluluğu, organik ve inorganik fazlar arasındaki elektrostatik etkileşimlerin oluşumu tarafından geliştirildi. Ding vd. hidrojellerin jelleşme ağını geliştirmek için iyonik çapraz bağlarıyla kalsiyum iyonlarını kullandılar. Kontrol olarak, Ding vd. işlevsiz biyoaktif cam (BG) ve gellan sakızını (AG) karıştırarak bir tür biyoaktif cam (BAG) geliştirdi.

Araştırmacılar, gelişmiş kesme inceltme ve kendi kendini iyileştirme kabiliyetine sahip, kendiliğinden oluşan bir jelleşen hidrojel ağı oluşturmayı amaçladılar. Bileşen kompozitler arasındaki elektrostatik etkileşimlerle hidrojelleri oluşturmayı, hidrojellerin fizikokimyasal özelliklerini karakterize etmeyi ve farklı hidrojellerin kemik rejenerasyonu kapasitesini araşturmayı amaçladılar. Ekip bileşenleri fiziksel olarak karıştırılmış, NBG (amino-modifiye biyoaktif cam) ve CAG (elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojel) X-Ray fotoelektron spektrofotometresi ve Zeta potansiyel testi tarafından hidrojeldeki elektrostatik etkileşimlerini araştırdı ve NBG’ye aşılanmış amino gruplarını saptadı.

**Figür 1:** AG, BAG ve CAG hidrojellerinin SEM görüntüleri

Hidrojellerin Yapı Analizi

Ekip, temsili Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektrumlarını kullanıp sonrasında üç tür malzemeyi analiz etti. X ışını difraktometrelerini kullanarak hidrojellerdeki olası kristalleşme fazlarını anladılar ve tespit ettiler. Ding vd. sonrasında hidrojelin mikro yapısındaki partiküllerin etkisini çalıştı ve taramalı elektron mikroskobuyla biyoaktif camın (BG) ve amino-modifiyeli (NBG) biyoaktif camın morfolojilerini tespit etti.

Bilim adamları, homojen NBG parçacıklarının varlığını sentetik yönteme bağladılar ve daha sonra gellan sakızının (AG) gözenekli yüzeylerinin pürüzsüz olduğunda SEM kullanarak enine kesit görüntüleri tespit edip hidrojellerin mikro yapı morfolojisini analiz ettiler. Bu arada, inorganik partiküllerin dahil edilmesi, biyomalzemelerin yapısal morfolojisini büyük ölçüde etkiledi. Ekip ayrıca, BAG’nin (yeni tür biyoaktif cam kontrolü) ve CAG’nin (elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojel) aynı üç boyutlu (3D) gözenek yapısına dikkat çekti.

Farklı Hidrojellerin Fizikokimyasal Özellikleri

Hidrojellerin bilinen en önemli özelliği olan şişme; malzemenin en önemli karakteristik özelliği olan, şişmiş hidrojeller dış ortamdan besinleri özümseyerek madde değişimini sağlar. Bu çalışmaya Ding vd. biyoaktif cam dahil ederek, gellan sakızına kıyasla BAG’nin (biyoaktif cam) şişme oranını önemli ölçüde azaltmıştır. Malzemenin sıvı tutma özellikleri, yapı iskelelerinin içinde hücrelerin birikmesine izin verdi ve hidrojelle hücre dışı matriks arasındaki etkili besin alışverişini kolaylaştırdı. İn vivo implantasyon üzerine kapsüllenmiş hücreler besince zengin bir ortamda iyi bir şekilde büyüyebildi. Ancak, doku rejenerasyonuna kıyasla yapı iskeleleri daha bozunur olduğundan hidrojeller insan vücuduna implantasyonundan sonra genellikle bozunurlar.

Bilim insanları zamanla jel ağırlığındaki değişimi tespit ederek hidrojellerin bozunma davranışını incelediler. CAG (elektrostatik olarak güçlendirilmiş hidrojel) biyomateryalinin kararlı bozunma hızı, osteogenez için faydalı olan implantasyondan sonra osteojenik boşlukta uzun süre tutulmasına izin verdi. Araştırmacılar ek olarak reoloji (malzemenin mekanik davranışı/stres-gerinim özelliği) ve basınç dayanımı deneyleri yoluyla hidrojellerin mekanik özelliklerini araştırdılar.

İn Vitro Biyomalzemeler Üzerindeki Hücrelerin Osteojenik Farklılığı ve Bağışıklık Tepkisi

Malzeme bilimcileri kusur bölgesindeki bağışıklık tepkileri için çoğu yeni kemik temsili malzemesini dikkatle izlediler. Burada, Ding vd. hidrojel tedavisinden sonra bağışıklık tepkisini belirlemek için hücre göçü yeteneğini ve inflamatuar gen ekspresyonunu araştırdı. Hem BAG hem de CAG biyomateryalleri, diğer kontrollerle kıyaslandığında gelişmiş hücre göçü gösterdi ve bağışıklık tepkilerini başarılı bir şekilde indüklediğini gösterdi. Daha sonra hücre biyouyumluluğunu anlamak için ekip, erken doku rejenerasyonu için hidrojellerdeki göçü ve hücre morfolojisi parametrelerinden memnun kaldı. Bunu başarmak için, sıçan kemik iliği kök hücrelerini kullandılar ve bunları biyomalzemeler üzerinde kültürlediler. CAG biyomateryalleri hücre tutunmasında ve yayılmasında yardımcı olur, NBG yüzeyindeki amino grupları hücre göçü için protein emilimini sağlarken BAG hücre yapışması için uygunluk göstermedi.

**Figür 2:** Sıçan kraniyal kemik kusuru için yapılan ameliyat sonucunda sırayla ameliyattan sonra 2. ve 8.hafta değerleri ve yeni kemik oluşumunun sıralı floresan boyama altında görüntüsü

Görünüm – İn Vivo Hidrojellerin Kemik Oluşturma Potensiyelleri

CAG’nin gelişmiş osteojenik performansı göz önüne alındığında, ekip daha sonra araştırmasında hidrojellerin in vivo olarak kemik rejenerasyon kapasitesini tespit etmek için materyali, bir sıçan kraniyal kusur modelinde araştırdı. İmplantasyon üzerine, kusurlu bölgesinde çok sayıda makrofajın toplanmasına yol açan bir iltihaplı yanıt kaydettiler. Ayrıca Ding vd. immünohistokimya kullanarak kusurlu bölgesinde kemik iliği kök hücrelerinin artan ekspresyonunu kaydetti ve hücre alımını ve kusurlu bölgesinde kemik onarımını kolaylaştırmak için nispeten daha büyük gözenekler içeren CAG morfolojisine hücre alımının arttığını belirtti.

Daha ileri çalışmalar, farklı biyomalzemeler arasında kemik rejenerasyonunu anlamak için sıralı floresan etiketlemenin yanı sıra mikro bilgisayarlı tomografi yöntemlerini ve histoloji boyamasını içeriyordu. Bu şekilde, XinXin Ding ve arkadaşları farklı fazlar arasındaki gelişmiş arayüzey biyouyumluluğunun kompozit hidrojellerin geliştirilmesine nasıl katkı sağladığını gösterdiler. Farklı biyomalzemeler kemik rejenerasyonu için kapasitenin genişlediğini ve klinik uygulamalar için dönüştürülebilecek yeni kompozit hidrojeller geliştirmek için uygun bir yaklaşım sağladı.

Kaynak: https://phys.org/news/2021-12-biopolymer-hydrogel-amino-functionalized-bioactive-glass.html

Görsel Kaynaklar:

Editör: Doğa DEMİRBAŞ