Bone tissue engineering. Design and development of biologically active vitroceramic-based hybrid materials to be used as bone substitutes

Abstract

Purpose

To describe the development and characterisation of a vitroceramic material as well as the initial response of adult mesenchymal stem cells (MSCs-A) isolated from bone marrow.

Material and methodology

The material was obtained by heating glass with composition in mol% 55SiO₂-41CaO-4P₂O₅ by a sol gel method. Cells were isolated from direct iliac crest aspirates from young adult patients. An analysis was performed of the degree of adhesion, proliferation and osteoblastic differentiation of MSCs-A seeded onto the material. Cell differentiation was evaluated through the production of osteocalcin and the loss of the CD90 mesenchymal marker. Cell proliferation on the substrate was performed using the tetrazolium salt reduction method. The seeded material was implanted in a critical defect caused in a rabbit femur in order to determine its osteogenerating capacity; CT observations were carried out.

Results

MSCs-A se bound to the material, expanded, proliferated and produced mineralised extracellular matrix on the material during the culture period. At the same time, they showed an osteoblastic phenotype, increasing osteocalcin production and losing CD90 expression. The material was partially resorbed at the end of the study.

Conclusion

The material is cytocompatible, osteoconductive, bioactive and has a capacity to promote osteoblastic differentiation of MSCs-A as well as new bone formation following its implantation in association with MSCs-A; an appropriate matrix for bone tissue regeneration.

Resumen

Objetivo

Describir el desarrollo y caracterización de un material vitrocerámico y la respuesta inicial de células madre mesenquimales adultas (MSC-A) aisladas de la medula ósea.

Material y metodología

El material se obtuvo por calentamiento de un vidrio 55SiO₂-41CaO-4P₂O₅ (mol/%) por el método sol-gel. Las células se aislaron por aspirados directos de cresta ilíaca de pacientes adultos jóvenes. Se estudió el grado de adherencia, proliferación y diferenciación a osteoblastos de las MSC-A sembradas sobre el material. La diferenciación celular se evaluó mediante la producción de osteocalcina y la pérdida del marcador mesenquimal CD90. La proliferación celular sobre el sustrato se realizó mediante el ensayo de reducción de sales de tetrazolio. El material sembrado se implantó en un defecto crítico realizado en fémur de conejo para valorar su capacidad osteorregeneradora, y se observó mediante TAC.

Resultados

Las MSC-A se adhirieron, expandieron, proliferaron y produjeron matriz extracelular mineralizada sobre el material durante el tiempo en cultivo, al mismo tiempo que mostraron fenotipo osteoblástico, e incrementaron la producción de osteocalcina y la pérdida de expresión de CD90. El material se reabsorbió parcialmente al final del estudio.

Conclusión

El material es citocompatible, osteoconductor, bioactivo, con capacidad de promover la diferenciación de MSC-A a osteoblastos y la neoformación ósea después de su implantación en asociación con MSC-A; es una matriz adecuada para la regeneración del tejido óseo.