Functionalized polymer-derived bioceramics for bone tissue engineering

Le schiume bioceramiche, tipicamente contenenti silicati di Ca o Ca-Mg, come wollastonite (CaSiO3) e diopside (CaMgSi2O6), possono essere ottenute dal trattamento termico di polimeri preceramici (resine siliconiche) contenenti fillers di dimensioni micro- e nanometriche. Questo processo innovativo è vantaggioso per la sua semplicità, per la limitata temperatura di lavorazione e l'omogeneità microstrutturale. Queste schiume simulano la naturale struttura porosa interna dell’osso trabecolare e, sia le caratteristiche fisiche che meccaniche possono essere modulate semplicemente variando i parametri iniziali del processo di produzione. Di conseguenza queste schiume possono essere considerate come scaffolds promettenti per l'ingegneria tessutale dell’osso. Gli scaffolds porosi sono stati funzionalizzati per aggiungere una componente biochimica che imiti la struttura organica dell'osso, migliorando così le interazioni superficie-cellula, attraverso l’innovativo approccio della "funzionalizzazione biochimica". Il nonapeptide (HVP) della Vitronettina (sequenza 352-360) è stato fissato in modo covalente e selettivo sulla superficie di schiume di wollastonite-diopside (W/D). Inoltre, un analogo dimerico (2HVP) è stato progettato per aumentare le interazioni ioniche con i GAG cellulari, e due sequenze retro-inverse del peptide HVP (DHVP, peptide retro-inverso di HVP e D2HVP, peptide retro-inverso di 2HVP) sono state sintetizzate per aumentare la stabilità verso la degradazione proteolitica osservata in condizioni fisiologiche. Un primo screening, attraverso prove biologiche in vitro, ha dimostrato che la sequenza D2HVP ha dato i migliori risultati in termini di adesione, proliferazione ed espressione genica di osteoblasti umani (HOB) senza indurre citotossicità quando ancorato a schiume W/D. In particolare, la proliferazione di HOB a 6 giorni su campioni funzionalizzati con D2HVP ha subito un incremento di 15 volte rispetto alle schiume silanizzate. Inoltre, uno scaffold di nuova generazione in addizione alla capacità di "comunicare" con le cellule circostanti, deve possedere l’abilità di promuovere l'angiogenesi attraverso la formazione di una rete vascolare interconnessa e stabile, fondamentale per la sopravvivenza dell'impianto e la sua integrazione a lungo termine. Per raggiungere questo obiettivo, si è voluto sommare le proprietà dei peptidi auto-assemblanti (SAP) alla comprovata bioattività delle schiume da precursori polimerici funzionalizzate con D2HVP. Sono stati effettuati screening preliminari in vitro per comprendere come differenti tipi cellulari (i.e. macrofagi, osteoblasti e HUVEC), coinvolti nei processi di risposta infiammatoria, osteointegrazione e angiogenesi, rispondano a diversi scaffolds di SAP. I risultati di questi saggi preliminari hanno dimostrato che il peptide auto-aggregante EAK è in grado di indurre la formazione di strutture tubulari più estese di HUVEC e di aumentare la proliferazione di HOB e l'espressione di YAP1. I saggi in vivo hanno confermato le proprietà osteoconduttive e osteoinduttive del peptide D2HVP. Tutti gli scaffolds di W/D sono stati colonizzati in vivo sia sulla superficie esterna che interna, con formazione di nuovi vasi sanguigni (neoangiogenesi). Solo le schiume di W/D funzionalizzate con D2HVP sono state in grado di stimolare il processo di mineralizzazione ectopica. I risultati in vivo hanno dimostrato che EAK arricchito con la sequenza pro-angiogenica TIM (da Tß4) legata covalentemente al SAP stesso, ha un effetto sinergico nel promuovere la mineralizzazione. Infine, è stata proposta una diversa metodologia di funzionalizzazione covalente e selettiva che, richiedendo solo blande condizioni di reazione e soluzioni acquose, può essere facilmente trasferita a tutti i tipi di bioceramici derivati da precursori polimerici (e.g. Hardystonite arricchita con Mg/Sr), per migliorarne la bioattività.