Трехмерные нановолоконные покрытия из диоксида титана, полученные плазменной ионизацией, повышают биореактивность и остеокондуктивность биоматериалов

В новом исследовании, опубликованном в Scientific Reports, Мохаммад-Хоссейн Бейги и команда из отделов инженерии, прикладных наук и клеточной биотехнологии в Канаде и Иране описали новый метод создания биосовместимых материалов для инженерии костной ткани. Они создали похожие на паутину трехмерные (3D) нановолоконные покрытия из диоксида титана (TiO₂) с использованием метода высокоинтенсивного лазерного обратного переноса (HILIRT).

Метод и материалы

Команда продемонстрировала механизм абляции и осаждения титана (Ti) на стеклянные подложки с помощью множества пикосекундных лазерных импульсов в воздухе, сравнив теоретические предсказания с экспериментальными результатами. Они изучили образцы стекла, покрытые нановолоконными структурами диоксида титана, сформированными при разной длительности лазерных импульсов, используя методы, включая сканирующую электронную микроскопию (SEM).

Биологическая оценка

Для понимания взаимодействия между поверхностью нового материала и биологическими клетками исследователи изучили поведение мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека (BMSCs), культивируемых на новых биоматериалах. Они использовали ряд лабораторных тестов, включая колориметрический метод для оценки метаболической активности клеток (MTS-тест), иммуноцитохимию, анализ адсорбции и абсорбции белка.

Результаты

Результаты показали значительное улучшение биосовместимости в лазерно-обработанных образцах по сравнению с необработанными подложками. Модификация метода HILIRT путем уменьшения длительности импульса позволила генерировать нановолокна диоксида титана с более плотной структурой. Плотность наноструктур и концентрация нановолокон сыграли критическую роль в создании биоактивности, индуцируя раннюю дифференцировку BMSCs в костную ткань посредством остеогенной дифференцировки.

Ключевые выводы

• Уменьшение длительности лазерного импульса до 150 пикосекунд (пс) привело к образованию более плотной плазменной струи и большему количеству нановолоконных структур диоксида титана (NFTi) на стеклянной подложке.
• Образец S1 (NFTi, 150 пс) показал наивысшую скорость поглощения, жизнеспособность клеток, адгезию и метаболическую активность, а также более высокую скорость миграции клеток.
• На образцах S1 наблюдалась значительно более высокая относительная экспрессия всех остеоген-связанных генов (RUNX2, коллаген I, остеопонтин, остеонектин) и максимальный уровень образования белково-ионных биокомплексов.
• Все образцы показали высокий уровень минерализации (образования гидроксиапатита, HA) на 7-й и 14-й день при погружении в имитированную телесную жидкость (SBF).
• Гидрофильная поверхность (подтвержденная измерениями краевого угла смачивания водой) способствовала адгезии клеток к внеклеточному матриксу.

Значение

Представленный экономичный метод позволяет создавать металлические нановолоконные структуры для покрытия различных поверхностей. Сочетание материаловедения и стволовых клеток открывает новые возможности для разработки продвинутых биоматериалов с улучшенной поверхностной биореактивностью и остеогенезом для применения в регенеративной медицине и ортопедических имплантатах.