Fabrication of electrospun and 3D bioprinted scaffolds for bone tissue engineering using natural and synthetic biomaterials

Abstract

Bone tissue engineering (BTE) is a broad research field that focuses on the use of biomaterial-based platforms combined with regeneration competent cell types and biochemical stimulants such as growth factors towards the fabrication of scaffolds and constructs that can restore, improve, or regenerate bone tissues. These biomaterial-based scaffolds should have a biocompatible character, controllable degradation rate, low immunogenicity, and mechanical attributes that are equivalent to those met in the native bone. State of the art biomaterials processing techniques such as electrospinning and 3D bioprinting have enabled the production of such scaffolds of varying 2D or 3D dimensionality, with topological and chemical structure that closely mimics that of bone tissue. The main objective of this thesis was the development of innovative bone regeneration promoting scaffolds and constructs based on the combination of two water soluble polymers, gellan gum (GG) and polyvinyl alcohol (PVA), via the state of the art technologies of electrospinning and 3D bioprinting. Through optimization of biomaterials composition, we produced stable GG:PVA nanofibrous scaffolds of various concentration ratios and verified that increased GG concentration and thermal treatment of scaffolds led to significantly reduced degradation rates, matching those of flat bones, while all compositions showed excellent osteogenic responses in the presence of pre-osteoblastic cells. We then biofabricated 3D bioprinted constructs, containing PVA:GG at different ratios, with and without the implementation of nano-hydroxyapatite (nHA), an osteogenic inorganic material present in human bone, and examined their biomechanical responses. It was corroborated that lower GG:PVA ratio compositions presented enhanced printability and cell viability than the stiffer counterparts, while the presence of nHA resulted in significantly enhanced printing fidelity and osteogenic capacity. Based on the optimization of the GG:PVA bioprinting conditions, we bioprinted constructs with human adipose derived stem cells (ADSCs), by incorporating zinc substituted bioactive glasses (Zn-BGs) in the same polymeric matrix, and observed excellent osteogenesis and chondrogenesis related cellular responses showcasing promising aspects for further use of these composite bioinks as potential personalized human osteochondral implants.

Η μηχανική ιστών οστικού ιστού (BTE) είναι ένας ευρύς ερευνητικός τομέας που επικεντρώνεται στη χρήση πλατφορμών που βασίζονται σε βιοϋλικά σε συνδυασμό με διάφορους κυταρρικούς τύπους ικανούς για αναγέννηση και βιοχημικούς διεγέρτες όπως αυξητικούς παράγοντες, με στόχο την κατασκευή ικριωμάτων και βιοδομών που μπορούν να αποκαταστήσουν, να βελτιώσουν ή να αναγεννήσουν οστικούς ιστούς. Αυτά τα ικριώματα που βασίζονται σε βιοϋλικά θα πρέπει να έχουν βιοσυμβατό χαρακτήρα, ελεγχόμενο ρυθμό αποικοδόμησης, χαμηλή ανοσογονικότητα και μηχανικά χαρακτηριστικά ισοδύναμα με αυτά που συναντώνται στο φυσικό οστό. Οι πιο σύγχρονες τεχνικές επεξεργασίας βιοϋλικών, όπως η ηλεκτροϊνοποίηση και η τρισδιάστατη βιοεκτύπωση, έχουν επιτρέψει την παραγωγή τέτοιων ικριωμάτων ποικίλης δισδιάστατης ή τρισδιάστατης διάστασης, με τοπολογική και χημική δομή που μιμείται στενά αυτή του οστικού ιστού. Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη καινοτόμων ικριωμάτων και κατασκευών που προάγουν την αναγέννηση των οστών, βασισμένων στον συνδυασμό δύο υδατοδιαλυτών πολυμερών, του κόμμεος τζελάνης (GG) και της πολυβινυλικής αλκοόλης (PVA), μέσω των σύγχρονων τεχνολογιών της ηλεκτροϊνοποίησης και της τρισδιάστατης βιοεκτύπωσης. Μέσω βελτιστοποίησης της σύνθεσης των βιοϋλικών, παράξαμε σταθερά νανοϊνώδη ικριώματα GG:PVA διαφόρων συγκέντρωσεων και επαληθεύσαμε ότι η αυξημένη συγκέντρωση GG και η θερμική επεξεργασία των ικριωμάτων οδήγησαν σε σημαντικά μειωμένους ρυθμούς αποικοδόμησης, αντίστοιχους με αυτούς των επίπεδων οστών, ενώ όλες οι συνθέσεις έδειξαν εξαιρετικές οστεογενετικές αποκρίσεις παρουσία προ-οστεοβλαστικών κυττάρων. Στη συνέχεια, κατασκευάσαμε τρισδιάστατες βιοεκτυπωμένες δομές, που περιείχαν PVA:GG σε διαφορετικές αναλογίες, με και χωρίς την παρουσία νανο-υδροξυαπατίτη (nHA), ενός οστεογενούς ανόργανου υλικού που υπάρχει στο ανθρώπινο οστό, και εξετάσαμε τις βιομηχανικές τους αποκρίσεις. Επιβεβαιώθηκε ότι οι συνθέσεις με χαμηλότερη αναλογία GG:PVA παρουσίασαν βελτιωμένη ικανότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης και βιωσιμότητα κυττάρων, ενώ η παρουσία nHA είχε ως αποτέλεσμα σημαντικά βελτιωμένη πιστότητα εκτύπωσης και οστεογενετική ικανότητα. Με βάση τη βελτιστοποίηση των συνθηκών βιοεκτύπωσης GG:PVA, βιοεκτυπώσαμε κατασκευές με ανθρώπινα βλαστικά κύτταρα που προέρχονται από τον λιπώδη ιστό (ADSCs), ενσωματώνοντας βιοδραστικούς ύαλους υποκατεστημένους με ψευδάργυρο (Zn-BGs) στην ίδια πολυμερική μήτρα, και παρατηρήσαμε εξαιρετικές κυτταρικές αποκρίσεις σχετιζόμενες με την οστεογένεση και τη χονδρογένεση, παρουσιάζοντας πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα για περαιτέρω χρήση αυτών των σύνθετων υλικών ως εξατομικευμένα ανθρώπινα οστεοχόνδρινα εμφυτεύματα.