Macrophage Response to the incorporation of doped bio-active glass in a bone regeneration scaffold

Abstract

Bones make up our skeleton and have several essential roles in the body. Most minor bone fractures or defects heal without any major intervention. However, large bone damages lack this self-regeneration ability and require surgical intervention. Given the pressing clinical need, the market for biomaterials- based treatment for bone repair is growing at a fast rate. In the case of bone repair, scaffolds require certain desirable properties in order to be effective, such as osteoinductivity, osteoconductivity, capable of osseointegration and prevent pro-inflammatory responses, but they should also be rigid and resilient since they will act as the main supporting framework of bone graft, while simultaneously have a porous morphology. Bioglasses are one of the best biomaterials in terms of rates of bioactivity, which allows for the formation of a layer of hydroxyapatite that possesses a chemical phase and structure close to the mineral composition of bones. The presence of species of niobium (Nb) in biomaterials has been shown to improve their mechanical and bioactive properties, having been reported that Nb ions promote the mineralization and differentiation of osteogenic cells. The insertion of niobium in ceramic matrices has also shown great corrosion resistance and very low cytotoxicity. In this work, PCL scaffolds (PCLs), 45S5 BG-PCL scaffolds (45S5BGs), and Nb4%BG-PCL scaffolds (Nb4%BGs) were produced. These composite scaffolds present a porous network in their internal structure, with the BG scaffolds' pores around 140 μm which is suitable for cell infiltration and growth. The addition of Nb to the Bioglass did not result in modifications to its network. The passivated (P) scaffolds and BG had more Saos-2 cell viability than the non-passivated (NP) scaffolds and BG. Nb4%s and powder had more Saos-2 cell via- bility than 45S5BGs and powder. None of the scaffolds appear to have any anti-bacterial activity. PCLs showed the highest rate of adhesion and proliferation, followed by Nb4%s and 45S5BGs appear to neg- atively affect the adhesion and proliferation of Saos-2 cells. Nb4%s present higher ALP production, fol- lowed by PCLs and 45S5BGs appear to be a hindrance to the production of ALP. Nb4%BG samples pre- sent results that show that they improve THP-1 cell growth and viability, having achieved more than 100% cell survivability. Both 45S5BGs and Nb4%s were shown to induce M2 macrophage polarization.

Os ossos compõem o nosso esqueleto e desempenham varias funções-chave. A maioria das fracturas leves regeneram sem intervenção severa. Mas, danos ósseos severos não possuem esta habilidade, requerendo intervenção cirúrgica. No caso de reparação óssea, as scaffolds requerem várias propriedades, como a osteoinductividade, osteocondutividade, a capacidade para a osteointegração, prevenirem respostas pró-inflamatórias, possuir uma morfologia porosa, enquanto sendo rígidas e resilientes. Os biovidros são uns dos melhores biomateriais em termos de bioactividade, o que permite a formação de uma camada de hydroxyapatite, que apresenta uma estrutura e fase química semelhante à composição mineral dos ossos. Tem sido relatado que a presença de nióbio (Nb) em biomateriais promove as suas propriedades bioactivas e mecânicas, e que os iões de niobio promove a diferenciação e mineralização de celulas osteogénicas. A inserção de nióbio em ligas metálicas e matrizes de cerâmica demonstrou superior resistência a corrosão e baixa citotoxicidade. Neste trabalho, scaffolds de PCL (PCLs), scaffolds de 45S5 BG-PCL (45S5BGs) e scaffolds de Nb4%BG-PCL (Nb4%BGs) foram produzidas. As scaffolds apresentam uma rede porosa, com os poros das scaffolds com BG tendo um tamanho de cerca de 140 μm, o que é adequado para infiltração e crescimento celular. A adição de nióbio ao biovidro não resultou em nenhuma modificação à sua estrutura. As scaffolds passivadas e pó de biovidro obtiveram melhor viabilidade de células Saos-2 do que as scaffolds não passivadas e pó de biovidro. As Nb4BG%s e o pó do mesmo BG obtiveram melhor viabilidade de células Saos-2 do que as 45S5BGs. Nenhuma das scaffolds apresentou actividade antibacteriana. As scaffolds de PCL demonstraram melhores resultados de adesão e proliferação, seguidas das Nb4%BGs e as 45S5BGs demonstraram afectar negativamente a adesão e proliferação das células Saos-2. As Nb4%s apresentaram produção de ALP mais elevada, seguidas pelas PCLs e as 45S5BGs demonstram afectar negativamente a produção de ALP. As amostras de Nb4% demonstrar melhorar o crescimento celular e viabilidade de células THP-1 tendo obtido resultados superiores a 100% sobrevivência celular. Ambas as 45S5BGs e Nb4%s demonstraram induzir polarização de macrófagos do fenótipo M2.