Reconstrução acelerada de defeito ósseo de calvária de rato usando 3D

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12145 (2023) Citar este artigo

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O enxerto ósseo autólogo e autocurável de defeitos calvaraiais pode ser um desafio. Portanto, a fabricação de andaimes para seu reparo rápido e eficaz é um campo de pesquisa promissor. Este artigo forneceu um estudo comparativo sobre a capacidade de andaimes de policaprolactona (PCL) impressos tridimensionais (3D) e modificados por PCL com os andaimes de biocerâmica de hidroxiapatita (HA) e biovidros (BG) em osso recém-formado na área de defeito da calvária. Os andaimes de PCL impressos em 3D estudados foram fabricados por modelagem camada por camada de deposição fundida. Após a avaliação da adesão celular na superfície dos andaimes, eles foram implantados em modelo de defeito calvário de rato. Os ratos foram divididos em quatro grupos com enxerto de andaime incluindo PCL, PCL/HA, PCL/BG e PCL/HA/BG e um grupo controle sem explante. A capacidade dos andaimes impressos em 3D na regeneração óssea da calvária foi investigada por meio de micro tomografia computadorizada, análises histológicas e imuno-histoquímicas. Por último, também foram investigados os níveis de expressão de vários genes relacionados ao osso, bem como a expressão de miR-20a e miR-17-5p como reguladores positivos e miR-125a como regulador negativo nas vias de osteogênese. Os resultados deste estudo comparativo mostraram que os andaimes de PCL com biocerâmicas HA e BG têm uma grande gama de aplicações potenciais no campo do tratamento de defeitos da calvária.

O tipo de lesão mais comum é a fratura óssea que pode ser causada pelo envelhecimento, falhas metabólicas, acidentes ou traumas1. O osso tem a capacidade de se regenerar e reparar em pequenas lesões2,3. Mas grandes fraturas ósseas requerem transplante, o que representa um desafio clínico significativo4. A regeneração óssea através da implantação de matriz na área afetada é uma abordagem alternativa5. Outro método adequado para o tratamento de fraturas ósseas, osteoporose e anomalias ósseas é a engenharia de tecidos ósseos, que combina materiais de engenharia, tecnologia biomédica e células-tronco renováveis6. Os andaimes projetados afetam significativamente o transporte de massa e apoiam a proliferação, adesão e crescimento celular7. Biodegradabilidade controlada, resistência mecânica adequada e estrutura de poros interligados com tamanho de poro e porosidade desejados para crescimento celular são as características de um andaime ideal8,9. Uma estrutura óssea apropriada deve ter um sistema poroso interligado com porosidade de cerca de 65% e tamanho de poro de aproximadamente 200–800 µm, a fim de imitar a estrutura porosa de um osso natural10. Há um grande interesse no desenvolvimento de métodos construtivos que aumentem a funcionalidade dos andaimes. A tecnologia de impressão tridimensional (3D) tem sido amplamente utilizada no campo da engenharia biomédica de regeneração de tecidos, que utiliza software de design auxiliado por computador (CAD) para construir estruturas 3D complexas11,12,13. Com o avanço da tecnologia médica, os cirurgiões foram capazes de escanear os defeitos do crânio dos pacientes por meio de tomografia computadorizada (TC) e preparar um modelo de estrutura 3D baseado em dados digitais usando biomateriais para ajudar a reconstruir as deformidades do crânio14,15,16,17,18 . Uma das tecnologias de impressão 3D mais comuns e econômicas é a técnica de modelagem por deposição fundida (FDM), que pode ser usada para fabricar andaimes injetando biomateriais camada por camada a partir de um bico com temperatura controlada . Um exemplo de biomateriais é a Poli-ε-caprolactona (PCL), um polímero biocompatível, que foi aprovado pela Food and Drug Administration (FDA). Mas o PCL não é adequado para ligação e proliferação celular devido à sua hidrofobicidade superficial . Portanto, o uso deste polímero pode ser limitado na construção de andaimes de engenharia de tecidos. Para resolver esse problema, cerâmicas bioativas como a hidroxiapatita (HA) e os vidros bioativos (BG), que são semelhantes à fase mineral óssea, são utilizadas para melhorar a fixação celular dos andaimes do PCL. Andaimes cerâmicos bioativos podem resultar em fortes ligações químicas com o tecido ósseo, devido à formação de camadas de ossos semelhantes a HA20. Portanto, as cerâmicas bioativas são os materiais mais utilizados na engenharia de tecidos ósseos devido ao seu alto potencial de ligação ao osso e ao seu efeito estimulante na formação de novo osso21. HA (Ca5(PO4)3(OH)) é um componente mineral natural do osso e apresenta excelente bioatividade, biocompatibilidade, biocondutividade, não toxicidade e propriedades não inflamatórias. É muito duro, mas é frágil e sua taxa de degradação no interior do corpo é muito lenta, por isso é utilizado em conjunto com polímeros naturais ou sintéticos para fazer andaimes22. O AH é benéfico para a formação óssea porque estimula fatores de crescimento como as proteínas morfogenéticas ósseas (BMPs)23. A BG é uma das biocerâmicas mais promissoras com boa biocompatibilidade in vitro e in vivo e após ser colocada em fluido biológico, a BG produz camadas bioativas de HA, que se liga aos tecidos biológicos e melhora a formação óssea. As desvantagens do BG são sua baixa resistência e fragilidade24. Os microRNAs (miRNAs) são uma classe de RNAs de fita simples endógenos, evolutivamente conservados, com aproximadamente 21-23 nucleotídeos de comprimento, atuando como reguladores pós-transcricionais, visando regiões 3' não traduzidas (UTR) de mRNAs alvo para coordenar uma ampla gama de processos biológicos25. Nos últimos anos, a relação entre miRNAs e formação óssea tem atraído muita atenção. Estudos demonstraram que os miRNAs têm efeito regulador na diferenciação osteoblástica e no desenvolvimento ósseo26.