Un nuovo idrogel iniettabile contenente polietereterchetone per la rigenerazione ossea nella regione craniofacciale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 864 (2023) Citare questo articolo

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Il polietereterchetone (PEEK) è un materiale organico introdotto come alternativa agli impianti in titanio. Gli idrogel iniettabili rappresentano l’approccio più promettente per la rigenerazione ossea nella cavità orale per riempire in modo conservativo i difetti con forme e contorni irregolari. Nel presente studio, sono stati sintetizzati idrogel iniettabili di aldeide-cellulosa nanocristallina/fibroina di seta (ADCNC/SF) contenenti PEEK ed è stata valutata la loro capacità di rigenerazione ossea. La struttura, l'interazione intermolecolare e la reazione tra i componenti sono state valutate nella struttura dell'idrogel. La citocompatibilità degli scaffold fabbricati è stata valutata su cellule staminali della polpa dentale umana (hDPSC). Inoltre, la capacità di osteoinduzione degli idrogel ADCNC/SF/PEEK su hDPSC è stata valutata utilizzando Real-time PCR, Western blot, colorazione con rosso alizarina e attività ALP. La formazione ossea in difetti di dimensioni critiche nella parte cranica dei ratti è stata valutata istologicamente e radiograficamente. I risultati hanno confermato il successo della fabbricazione dell'idrogel e la sua capacità di induzione osteogenica sulle hDPSC. Inoltre, nella fase in vivo, la formazione ossea era significativamente più elevata nel gruppo ADCNC/SF/PEEK. Pertanto, la maggiore rigenerazione ossea in risposta agli idrogel caricati con PEEK ha suggerito il suo potenziale per rigenerare la perdita ossea nella regione craniofacciale, che circonda esplicitamente gli impianti dentali.

Negli ultimi decenni, l'ingegneria del tessuto osseo ha fornito un'alternativa promettente per la ricostruzione dei difetti ossei nella regione craniofacciale1,2,3. I difetti ossei in quest'area si verificano a causa di anomalie congenite, infezioni e successivo riassorbimento osseo dovuto a traumi, resezione del tumore ed estrazione di denti4,5. Questi difetti influenzano in modo significativo la qualità della vita dei pazienti e dovrebbero essere trattati per ripristinare la funzione maxillo-facciale e l'estetica6,7.

Le strutture ossee dinamiche mostrano notevoli capacità rigenerative nella ricostruzione di difetti inferiori alla dimensione critica. I difetti di dimensioni critiche non hanno capacità di autoriparazione e necessitano di un ulteriore intervento di ricostruzione8. Gli approcci convenzionali per il trattamento di questo tipo di difetti ossei, come gli innesti ossei autologhi/allogenici e le protesi metalliche, sono limitati dalla morbilità e dalla carenza di siti donatori, dalla possibilità di riassorbimenti e dalla complessità della fabbricazione e della modellatura per riempire i difetti irregolari9,10. A causa di queste limitazioni, gli approcci di ingegneria del tessuto osseo con idrogel polimerici 3D biodegradabili e biocompatibili possono essere considerati un potenziale candidato per aumentare l’efficacia dei protocolli di trattamento migliorando la proliferazione e la differenziazione delle cellule staminali. Proprietà simili degli idrogel alla matrice extracellulare ossea nativa (ECM) e rilascio di fattori osteogenici sono i tratti principali che rendono un idrogel adatto alla rigenerazione ossea. Un'altra caratteristica essenziale da considerare è l'iniettabilità di questi idrogel, che offre un'ampia gamma di vantaggi rispetto agli idrogel prefabbricati11,12,13. Questi idrogel iniettabili dimostrano un eccezionale supporto per l'infiltrazione, l'attaccamento, la proliferazione e la differenziazione delle cellule staminali quando fabbricati con polimeri e sostanze adeguate. Inoltre, la facile manipolazione, la somministrazione minimamente invasiva e la risoluzione dei difetti ossei di forma irregolare sono i vantaggi di questi idrogel iniettabili nell'applicazione clinica oltre alla comodità dei pazienti14,15,16,17,18.

Vari biomateriali sono stati applicati per ricostruire il tessuto osseo danneggiato e perduto19,20,21. Il polietereterchetone (PEEK) è un promettente polimero organico e sintetico con una struttura semicristallina. È diventato più popolare grazie alla sua elevata biocapacità, radiolucenza ed elasticità simile all'osso naturale rispetto ai materiali metallici come il titanio (Ti)22,23,24. Inoltre, secondo i rapporti, gli impianti in titanio e le loro leghe hanno mostrato rilascio di ioni metallici, osteolisi, allergenicità e corrosione del metallo durante la ricostruzione dei difetti ossei nella regione craniofacciale25,26. L'applicazione del PEEK in diversi substrati e materiali da oltre 40 anni conferma le sue grandi capacità di applicazione di biomateriali. Essendo un polimero ad alte prestazioni, il PEEK presenta un'eccellente resistenza chimica, un'elevata temperatura di fusione di 340 °C, una resistenza superiore alle radiazioni e alla sterilizzazione, un modulo di elasticità elevato da 3,7 a 4,0 GPa e un'elevata resistenza alla trazione di 103 MPa27. Tra i materiali protesici, il PEEK è ampiamente utilizzato come componente grazie alla sua buona stabilità al calore e alle proprietà meccaniche simili all’osso naturale. Queste proprietà aiutano i compositi a base di PEEK a promuovere la rigenerazione ossea e a ritardare il riassorbimento osseo adiacente28. È stata realizzata un’ampia gamma di impianti spinali in PEEK, comprese gabbie, aste e viti, progettati per rimanere rigidi mentre le ossa si fondono gradualmente insieme29,30,31,32. Le caratteristiche più importanti del PEEK, che lo trasformano in un buon materiale nella regione craniofacciale, includono ma non sono limitate a eccellenti proprietà meccaniche, radiolucenza naturale e ridotta trasformazione del calore19,33. Inoltre, esistono numerose prove riguardanti la riduzione dell’osteolisi, l’aumento della formazione ossea e il supporto della mineralizzazione iniziale attorno agli impianti PEEK19. Tuttavia, alcuni studi hanno dimostrato che questo substrato non è bioattivo quanto il Ti; pertanto, hanno suggerito l'incorporazione del PEEK con altri materiali22,34,35.