Development of organic-inorganic innovative scaffolds for bone tissue engineering based on polymer honeycomb membrane and bioactive glass-based mineral phase
Deraine Coquen, Audrey (2023)
Omakustanne/Self-published
2023
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
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Väitöspäivä
2023-12-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3230-3
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Kuvaus
Cotutelle-yhteistyöväitöskirja
Tiivistelmä
When a significant bone defect develops as a result of trauma, bone resection owing to malignancy or infection, or both, bone needs aid from a substitute to regenerate while preventing the invasion of fibrous tissue into the defect. To prevent the implant site invasion by fibrous tissue, barrier membranes have been fabricated from naturally sourced or synthetic polymers. One characteristic of major importance, to consider in the fabrication of a barrier membrane, is its porosity. The pores in the membrane should allow appropriate nutrient and waste flow while preventing the cells from entering the defect. However, the currently available membranes degrades faster than the bone regeneration occurs. To overcome this challenge, focused has been made on materials able to accelerate bone regeneration in order to close the gap between the membrane degradation and the bone regeneration rate. For this purpose, one strategy is to use bone graft in combination with a barrier membrane, although it implies a two-step procedure with two distinct materials which can be challenging for surgeons. As bone graft, bioactive glasses (BG) have made a breakthrough the past decade since they are able to degrade, bond to bone, and induce osteogenesis. Materials for bone graft should have suitable porosity to allow the neo formed bone to colonize the structure and eventually replace it. Processing BG into 3D porous scaffolds has revealed to be challenging but not impossible.
This thesis project has been designed with the aim to propose a new biphasic material that would avoid the fibrous tissue in-growth and the two-steps surgical procedure by directly linking the graft and the barrier membrane.1) The membrane, made of poly-L-co-D, L-lactic acid (PLDLA), was created at the surface of the materials by the Breath Figure Method (BFM) to give it a honeycomb-like porous structure, in order to prevent cell migration while maintaining nutrients migration and waste removal.
2) The membrane was generated on chosen BG, namely the S53P4, also known as BoneAlive® S53P4, and the 13-93B20, an experimental BG composition containing boron (B), or a decellularized bone matrix (DBM) to support bone regeneration.
The impact of BG surface chemistry on membrane adhesion has been studied and revealed that, the conditioning of the BGs induces calcium phosphate (CaP) precipitation at their surface which results in a stronger attachment of the membrane.
Successively, our assemblies were sterilized through gamma irradiation and, although irradiation induced some changes in physicochemical properties of both the polymer and BG, cell-material interactions were found unaffected.
Finally, a 3D printed 13-93B20 scaffold was specifically designed to generate the honeycomb PLDLA membrane at its surface. After immersion in simulated body fluid (SBF), the assemblies were found to be able to precipitate hydroxyapatite (HA). When put in contact with osteoblast-like cell, the assemblies were found to support cell adhesion and growth while providing an effective way of segregating osteoblasts-like cells and fibroblasts thanks to the honeycomb membrane.
In summary, a new biphasic scaffold based on an inorganic and an organic phase directly linked together was successfully developed. The material showed a great cohesiveness during the immersion and revealed itself to be able to support hydroxyapatite precipitation. Furthermore, it showed great capacity to support cell adhesion, growth and proliferation while providing an effective space delimitation for osteogenic and fibroblastic cells.
This scaffold paves the way toward new devices allowing space separation and cells segregation in order to improve bone regeneration while avoiding the deleterious fibrous tissue ingrowth.
in French below
Lorsqu'une perte osseuse significative survient suite à un traumatisme, à une résection osseuse liée à une malignité ou à une infection, un apport extérieur est nécessaire pour favoriser la régénération osseuse tout en évitant l'invasion de tissu fibreux dans la zone affectée. Pour prévenir cette invasion, on utilise des membranes « barrière » composées de polymères, naturels ou synthétiques. Un aspect crucial dans la fabrication de ces membranes est leur porosité. Les pores de la membrane doivent permettre la circulation adéquate des nutriments tout en empêchant les cellules d'envahir la zone.
Cependant, les membranes actuellement disponibles se dégradent plus rapidement que la régénération osseuse n’a lieu. Pour surmonter ce défi, les chercheurs se sont penchés sur des matériaux capables d'accélérer la régénération osseuse afin de réduire l'écart entre la dégradation de la membrane et le taux de régénération osseuse. Une stratégie consiste à utiliser une greffe osseuse en combinaison avec une membrane « barrière », bien que cette approche implique une procédure en deux étapes et des matériaux distincts.
Les verres bioactifs (BG) se sont avérés prometteurs en tant que matériaux de greffe osseuse, car ils sont capables de se dégrader, de se lier à l'os et d'induire l'ostéogenèse. Cependant, la transformation des BG en structures poreuses en 3D s'est avérée être un défi. Ce projet de thèse vise à proposer un nouveau matériau biphasé qui limite l'invasion de tissu fibreux et la procédure en deux étapes en liant directement le greffon et la membrane « barrière ».
La membrane, composée d'acide poly-L-co-D, L-lactique (PLDLA), est générée en surface des matériaux grâce à la méthode Breath Figure (BFM), créant une structure poreuse en nid d'abeille pour empêcher la migration cellulaire tout en permettant la circulation des nutriments. Cette membrane est déposée sur des BG spécifiques, tels que le S53P4 (connu sous le nom de BoneAlive® S53P4) et le 13- 93B20, une composition expérimentale de BG contenant du bore, ainsi que sur une matrice osseuse décellularisée (DBM) pour favoriser la régénération osseuse.
L'impact de la chimie de surface des BG sur l'adhérence de la membrane a été étudié, montrant une meilleure adhérence après une étape de conditionnement grâce notamment à la topographie de surface qui montre la présence de précipité de calcium-phosphate (CaP). Les assemblages ont été stérilisés par irradiation gamma, sans altérer les interactions cellules-matériaux.
Enfin, une structure (scaffold) 3D imprimée en 13-93B20 a été spécifiquement conçu pour supporter la génération de la membrane en nid d'abeille en PLDLA à sa surface. Après immersion dans un milieu simulé fluide biologique, les biomatériaux font l’objet d’une précipitation d'hydroxyapatite en surface. Ce qui n’a pas inhibé l'adhérence, la croissance et la prolifération des cellules ostéoprogénitrices, tout en limitant physiquement la migration des cellules (effet barrière).
En somme, ce nouveau matériau biphasé offre une approche prometteuse pour améliorer la régénération osseuse tout en prévenant l'invasion de tissu fibreux nocif. Lorsqu'une perte osseuse significative survient suite à un traumatisme, à une résection osseuse liée à une malignité ou à une infection, un apport extérieur est nécessaire pour favoriser la régénération osseuse tout en évitant l'invasion de tissu fibreux dans la zone affectée. Pour prévenir cette invasion, on utilise des membranes « barrière » composées de polymères, naturels ou synthétiques. Un aspect crucial dans la fabrication de ces membranes est leur porosité. Les pores de la membrane doivent permettre la circulation adéquate des nutriments tout en empêchant les cellules d'envahir la zone.
Cependant, les membranes actuellement disponibles se dégradent plus rapidement que la régénération osseuse n’a lieu. Pour surmonter ce défi, les chercheurs se sont penchés sur des matériaux capables d'accélérer la régénération osseuse afin de réduire l'écart entre la dégradation de la membrane et le taux de régénération osseuse. Une stratégie consiste à utiliser une greffe osseuse en combinaison avec une membrane « barrière », bien que cette approche implique une procédure en deux étapes et des matériaux distincts.
Les verres bioactifs (BG) se sont avérés prometteurs en tant que matériaux de greffe osseuse, car ils sont capables de se dégrader, de se lier à l'os et d'induire l'ostéogenèse. Cependant, la transformation des BG en structures poreuses en 3D s'est avérée être un défi. Ce projet de thèse vise à proposer un nouveau matériau biphasé qui limite l'invasion de tissu fibreux et la procédure en deux étapes en liant directement le greffon et la membrane « barrière ».
La membrane, composée d'acide poly-L-co-D, L-lactique (PLDLA), est générée en surface des matériaux grâce à la méthode Breath Figure (BFM), créant une structure poreuse en nid d'abeille pour empêcher la migration cellulaire tout en permettant la circulation des nutriments. Cette membrane est déposée sur des BG spécifiques, tels que le S53P4 (connu sous le nom de BoneAlive® S53P4) et le 13- 93B20, une composition expérimentale de BG contenant du bore, ainsi que sur une matrice osseuse décellularisée (DBM) pour favoriser la régénération osseuse.
L'impact de la chimie de surface des BG sur l'adhérence de la membrane a été étudié, montrant une meilleure adhérence après une étape de conditionnement grâce notamment à la topographie de surface qui montre la présence de précipité de calcium-phosphate (CaP). Les assemblages ont été stérilisés par irradiation gamma, sans altérer les interactions cellules-matériaux.
Enfin, une structure (scaffold) 3D imprimée en 13-93B20 a été spécifiquement conçu pour supporter la génération de la membrane en nid d'abeille en PLDLA à sa surface. Après immersion dans un milieu simulé fluide biologique, les biomatériaux font l’objet d’une précipitation d'hydroxyapatite en surface. Ce qui n’a pas inhibé l'adhérence, la croissance et la prolifération des cellules ostéoprogénitrices, tout en limitant physiquement la migration des cellules (effet barrière).
En somme, ce nouveau matériau biphasé offre une approche prometteuse pour améliorer la régénération osseuse tout en prévenant l'invasion de tissu fibreux nocif.
This thesis project has been designed with the aim to propose a new biphasic material that would avoid the fibrous tissue in-growth and the two-steps surgical procedure by directly linking the graft and the barrier membrane.1) The membrane, made of poly-L-co-D, L-lactic acid (PLDLA), was created at the surface of the materials by the Breath Figure Method (BFM) to give it a honeycomb-like porous structure, in order to prevent cell migration while maintaining nutrients migration and waste removal.
2) The membrane was generated on chosen BG, namely the S53P4, also known as BoneAlive® S53P4, and the 13-93B20, an experimental BG composition containing boron (B), or a decellularized bone matrix (DBM) to support bone regeneration.
The impact of BG surface chemistry on membrane adhesion has been studied and revealed that, the conditioning of the BGs induces calcium phosphate (CaP) precipitation at their surface which results in a stronger attachment of the membrane.
Successively, our assemblies were sterilized through gamma irradiation and, although irradiation induced some changes in physicochemical properties of both the polymer and BG, cell-material interactions were found unaffected.
Finally, a 3D printed 13-93B20 scaffold was specifically designed to generate the honeycomb PLDLA membrane at its surface. After immersion in simulated body fluid (SBF), the assemblies were found to be able to precipitate hydroxyapatite (HA). When put in contact with osteoblast-like cell, the assemblies were found to support cell adhesion and growth while providing an effective way of segregating osteoblasts-like cells and fibroblasts thanks to the honeycomb membrane.
In summary, a new biphasic scaffold based on an inorganic and an organic phase directly linked together was successfully developed. The material showed a great cohesiveness during the immersion and revealed itself to be able to support hydroxyapatite precipitation. Furthermore, it showed great capacity to support cell adhesion, growth and proliferation while providing an effective space delimitation for osteogenic and fibroblastic cells.
This scaffold paves the way toward new devices allowing space separation and cells segregation in order to improve bone regeneration while avoiding the deleterious fibrous tissue ingrowth.
in French below
Lorsqu'une perte osseuse significative survient suite à un traumatisme, à une résection osseuse liée à une malignité ou à une infection, un apport extérieur est nécessaire pour favoriser la régénération osseuse tout en évitant l'invasion de tissu fibreux dans la zone affectée. Pour prévenir cette invasion, on utilise des membranes « barrière » composées de polymères, naturels ou synthétiques. Un aspect crucial dans la fabrication de ces membranes est leur porosité. Les pores de la membrane doivent permettre la circulation adéquate des nutriments tout en empêchant les cellules d'envahir la zone.
Cependant, les membranes actuellement disponibles se dégradent plus rapidement que la régénération osseuse n’a lieu. Pour surmonter ce défi, les chercheurs se sont penchés sur des matériaux capables d'accélérer la régénération osseuse afin de réduire l'écart entre la dégradation de la membrane et le taux de régénération osseuse. Une stratégie consiste à utiliser une greffe osseuse en combinaison avec une membrane « barrière », bien que cette approche implique une procédure en deux étapes et des matériaux distincts.
Les verres bioactifs (BG) se sont avérés prometteurs en tant que matériaux de greffe osseuse, car ils sont capables de se dégrader, de se lier à l'os et d'induire l'ostéogenèse. Cependant, la transformation des BG en structures poreuses en 3D s'est avérée être un défi. Ce projet de thèse vise à proposer un nouveau matériau biphasé qui limite l'invasion de tissu fibreux et la procédure en deux étapes en liant directement le greffon et la membrane « barrière ».
La membrane, composée d'acide poly-L-co-D, L-lactique (PLDLA), est générée en surface des matériaux grâce à la méthode Breath Figure (BFM), créant une structure poreuse en nid d'abeille pour empêcher la migration cellulaire tout en permettant la circulation des nutriments. Cette membrane est déposée sur des BG spécifiques, tels que le S53P4 (connu sous le nom de BoneAlive® S53P4) et le 13- 93B20, une composition expérimentale de BG contenant du bore, ainsi que sur une matrice osseuse décellularisée (DBM) pour favoriser la régénération osseuse.
L'impact de la chimie de surface des BG sur l'adhérence de la membrane a été étudié, montrant une meilleure adhérence après une étape de conditionnement grâce notamment à la topographie de surface qui montre la présence de précipité de calcium-phosphate (CaP). Les assemblages ont été stérilisés par irradiation gamma, sans altérer les interactions cellules-matériaux.
Enfin, une structure (scaffold) 3D imprimée en 13-93B20 a été spécifiquement conçu pour supporter la génération de la membrane en nid d'abeille en PLDLA à sa surface. Après immersion dans un milieu simulé fluide biologique, les biomatériaux font l’objet d’une précipitation d'hydroxyapatite en surface. Ce qui n’a pas inhibé l'adhérence, la croissance et la prolifération des cellules ostéoprogénitrices, tout en limitant physiquement la migration des cellules (effet barrière).
En somme, ce nouveau matériau biphasé offre une approche prometteuse pour améliorer la régénération osseuse tout en prévenant l'invasion de tissu fibreux nocif.
Cependant, les membranes actuellement disponibles se dégradent plus rapidement que la régénération osseuse n’a lieu. Pour surmonter ce défi, les chercheurs se sont penchés sur des matériaux capables d'accélérer la régénération osseuse afin de réduire l'écart entre la dégradation de la membrane et le taux de régénération osseuse. Une stratégie consiste à utiliser une greffe osseuse en combinaison avec une membrane « barrière », bien que cette approche implique une procédure en deux étapes et des matériaux distincts.
Les verres bioactifs (BG) se sont avérés prometteurs en tant que matériaux de greffe osseuse, car ils sont capables de se dégrader, de se lier à l'os et d'induire l'ostéogenèse. Cependant, la transformation des BG en structures poreuses en 3D s'est avérée être un défi. Ce projet de thèse vise à proposer un nouveau matériau biphasé qui limite l'invasion de tissu fibreux et la procédure en deux étapes en liant directement le greffon et la membrane « barrière ».
La membrane, composée d'acide poly-L-co-D, L-lactique (PLDLA), est générée en surface des matériaux grâce à la méthode Breath Figure (BFM), créant une structure poreuse en nid d'abeille pour empêcher la migration cellulaire tout en permettant la circulation des nutriments. Cette membrane est déposée sur des BG spécifiques, tels que le S53P4 (connu sous le nom de BoneAlive® S53P4) et le 13- 93B20, une composition expérimentale de BG contenant du bore, ainsi que sur une matrice osseuse décellularisée (DBM) pour favoriser la régénération osseuse.
L'impact de la chimie de surface des BG sur l'adhérence de la membrane a été étudié, montrant une meilleure adhérence après une étape de conditionnement grâce notamment à la topographie de surface qui montre la présence de précipité de calcium-phosphate (CaP). Les assemblages ont été stérilisés par irradiation gamma, sans altérer les interactions cellules-matériaux.
Enfin, une structure (scaffold) 3D imprimée en 13-93B20 a été spécifiquement conçu pour supporter la génération de la membrane en nid d'abeille en PLDLA à sa surface. Après immersion dans un milieu simulé fluide biologique, les biomatériaux font l’objet d’une précipitation d'hydroxyapatite en surface. Ce qui n’a pas inhibé l'adhérence, la croissance et la prolifération des cellules ostéoprogénitrices, tout en limitant physiquement la migration des cellules (effet barrière).
En somme, ce nouveau matériau biphasé offre une approche prometteuse pour améliorer la régénération osseuse tout en prévenant l'invasion de tissu fibreux nocif.
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