Διερεύνηση της διεπιφάνειας κυττάρων-νανοσωλήνων άνθρακα υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες

Abstract

The aim of the present study was the investigation of the interface of humanMesenchymal Stem Cells (hMSCs) – Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs), understatic and dynamic conditions. MWCNTs have been proven to obtain unique electricand physical properties, mechanical strength and low density, which render themhighly attractive for the design of biomaterials for orthopaedic applications.Firstly, the biocompatibility of MWCNTs was studied, in terms of hMSCs cytotoxicity,morphology, proliferation, differentiation, cytoskeleton organization and toxicity. Thesubstrate of MWCNTs favored cell spreading, increased proliferation and promotedcell differentiation, as measured by the expression of alkaline phosphatase,osteopontin and osteocalcin.The gene expression of integrin receptors responsible for cell attachment onMWCNTs was studied. Using the Spinning Disc Technique, the attachment strengthof hMSCs on MWCNTs was evaluated, as well as the impact of each integrin to thealteration of attachment strength.In order to investigate the cell response to mechanical loading, the attached cells onMWCNTs were stressed for 3 and 24 hours, using a system for mechanical loadingbased on the 4-point bending principle. Results showed that loading positivelyinduces the expression of genes associated with attachment and differentiation markers.Additionally, the cell behavior concerning proliferation, differentiation, cytoskeletonorganization, apoptosis and gene expression associated with attachment, was studiedon MWCNTs after surface modification with hydroxyl-, carboxyl-, and amino- groups.The findings indicated that the amino- modified surface significantly favored the cellbehavior, compared to the other two surfaces.Lastly, the topography effect was studied using vertically aligned MWCNTs. Cellresponse was found better on the vertically compared to the randomly oriented, interms of proliferation, differentiation and cytoskeleton organization.The findings of the study are promising for the future design of biomaterials ofMWCNTs, aiming for application in therapies where bone reconstruction isdemanded.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής, ήταν η διερεύνηση της διεπιφάνειαςανθρώπινων μεσεγχυματικών κυττάρων (Human Mesenchymal Stem Cells, hMSCs)-Νανοσωλήνων Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος (Multi Walled Carbon Nanotubes,MWCNTs) υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Οι MWCNTs έχει αποδειχθεί ότι,έχουν μοναδικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες, μηχανική αντοχή και χαμηλήπυκνότητα, χαρακτηριστικά που τους καθιστούν εξαιρετικά ελκυστικούς για τοσχεδιασμό βιοϋλικών για ορθοπαιδικές εφαρμογές.Αρχικά, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των hMSCs σε επιφάνειες MWCNTs, ωςπρος την κυτταροτοξικότητα, τη μορφολογία, τον πολλαπλασιασμό, τηδιαφοροποίηση και την οργάνωση του κυτταροσκελετού. Το υπόστρωμα τωνMWCNTs ευνόησε την εξάπλωση των κυττάρων, προήγαγε τον πολλαπλασιασμόκαι προώθησε τη διαφοροποίηση των hMSCs σε οστεοβλάστες, όπως έδειξε ηέκφραση αλκαλικής φωσφατάσης, οστεοποντίνης και οστεοκαλσίνης.Μελετήθηκε η γονιδιακή έκφραση των ιντεγκρινικών υποδοχέων, υπεύθυνων γιατην προσκόλληση των κυττάρων στους MWCNTs. Με την τεχνική τουπεριστρεφόμενου δίσκου, εκτιμήθηκε η δύναμη προσκόλλησης των hMSCs στουςMWCNTs και η επίδραση της κάθε ιντεγκρίνης στη μεταβολή της δύναμηςπροσκόλλησης.Για τη διερεύνηση της απόκρισης των οστεοβλαστών στη μηχανική φόρτιση, τα προσκολλημένα κύτταρα στους MWCNTs καταπονήθηκαν για 3 και 24 ώρες, μεσύστημα μηχανικής φόρτισης βασισμένο στην Αρχή Κάμψης Τεσσάρων Σημείων.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, η φόρτιση επηρεάζει θετικά την έκφραση γονιδίωνπροσκόλλησης και δεικτών διαφοροποίησης.Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η συμπεριφορά των hMSCs ως προς τηνκυτταροτοξικότητα, τον πολλαπλασιασμό, τη διαφοροποίηση, την οργάνωση τουκυτταροσκελετού και την έκφραση γονιδίων προσκόλλησης, σε τροποποιημένεςεπιφάνειες MWCNTs με υδροξυλομάδες, καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Τααποτελέσματα έδειξαν ότι, η αμινοτροποποιημένη επιφάνεια ευνόησε σημαντικάτην κυτταρική συμπεριφορά σε σύγκριση με τις άλλες δύο επιφάνειες. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της τοπογραφίας με χρήση κάθεταευθυγραμμισμένων MWCNTs, σε σύγκριση με τυχαία προσανατολισμένουςMWCNTs. Η απόκριση των hMSCs στους κάθετα ευθυγραμμισμένους MWCNTsήταν καλύτερη σε σύγκριση με τους τυχαία προσανατολισμένους, τόσο ως προςτον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση, όσο και ως προς την οργάνωση τουκυτταροσκελετού.Τα αποτελέσματα της διατριβής είναι υποσχόμενα για το μελλοντικό σχεδιασμόβιοϋλικών με MWCNTs, με τελικό σκοπό την εφαρμογή σε θεραπείες στις οποίεςαπαιτείται ανακατασκευή του οστού.