Textile based 3d constructs targetting flat bone

Abstract

Over the years, tissue engineering has been consistently advancing with the prospects of new therapies targeting the regeneration of damage tissues. Bone tissue engineering is particularly challenging with autografts still being considered as the “gold standard” despite the related complications such as donor site morbidity, insufficient quantities, and restrictions in graft shape. Recent advances in the development of biomaterials have provided attractive alternatives to bone grafting expanding options for restoring the form and function of injured bone. Bone tissue engineering using scaffolds is a promising strategy in order to overcome bone grafts obstacles, by improving cell adhesion to scaffolds and restoring bone shape and function. Thus textile-based scaffolds have been recently proposed for bone tissue engineering since they present high reproducibility, precision and superior control over the design. In this work, a three dimensional (3D) textile made of two weft-knitted silk fibroin fabric layers spaced by a monofilament of polyethylene terephthalate (PET) was modified with calcium phosphates aiming the creation of a osteoinductive, hierarchically patterned scaffold to meet the specific requirements of flat bone for craniofacial applications. Three different approaches were used, namely calcium nitrate tetrahydrate/diammonium hydrogen phosphate, brushite, and hydroxyapatite powder in a sodium alginate solution, to impregnate calcium phosphates in the 3D constructs. Among these, the Hap/alginate was proven to be the most effective. The developed composites were characterized in terms of morphology, mechanical properties (flexural and tensile strength and Young’s modulus) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). FTIR analysis allowed to confirm the presence of the calcium phosphates inside the fabric. Despite the low strength, flexural modulus of selected composite was similar to the spongy bone flexural modulus described in the literature. There is often a great level of discrepancy between the ideal characteristics of bone substitutes and good and viable reproducibility that can be overcome.Ao longo dos anos, a engenharia de tecidos tem preenchido algumas lacunas e solucionado alguns problemas. Contudo, a engenharia de tecido ósseo ainda apresenta alguns problemas, mesmo com autoenxertos, considerados "gold standard" como morbidez do local dador, volume insuficiente e restrições na forma e tamanho do enxerto. Avanços recentes no desenvolvimento de biomaterias têm dado alternativas aos excertos ósseos, aumentando as opções para restaurar tanto a forma como a função do osso danificado. A engenharia de tecidos utilizando scaffolds é uma estratégia promissora para superar os obstáculos associados a excertos ósseos, melhorar a adesão celular, restaurando assim a forma e função do osso. Scaffolds tendo como base um têxtil têm vindo a ser utilizadas pois apresentam alta reprodutibilidade e maior controlo sobre o design e propriedades. Um têxtil tridimensional (3D), feito de duas camadas de tecido de malha de trama da fibroína de seda espaçadas por um monofilamento de polietileno tereftalato (PET) foi modificado com fosfatos de cálcio, visando a criação de uma estrutura hierarquicamente montada esperando a optimização das suas propriedades mecânicas para crescimento osso chato. O compósito desenvolvido é caracterizado em termos de morfologia e propriedades mecânicas com impacto no comportamento ósseo, como resistência à flexão e resistência à tração. Três diferentes abordagens foram utilizadas para impregnar fosfatos de cálcio no têxtil, nomeadamente nitrato de cálcio tetra-hidratado e hidrogeno-fosfato de diamónio, brushite e hidroxiapatite em pó numa solução de 2% de alginato, sendo que hidroxiapatite (Hap)/alginato foi considerado o melhor devido à sua maior reprodutibilidade e facilidade de impregnação. A análise FTIR feita comprovou a presença dos fosfatos de cálcio no interior do tecido. O módulo de flexão é semelhante ao do osso esponjoso descrito na literatura. Há um nível discrepância entre as características ideais dos substitutos ósseos que pode ser ultrapassado

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