Bioinspired organic-inorganic nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering

Abstract

Bone tissue is an organic-inorganic composite, showing an extracellular matrix (ECM) that is heavily mineralized on the nanoscale, that constitutes the body skeleton and is crucial for locomotion. It is mostly composed of apatite crystals embedded within and between the collagen fibers and noncollagenous proteins (NCPs), which are thought to play an active role on the nanoscale biomineralization process. Several tissue engineering and regenerative medicine (TERM) strategies have been proposed combining inorganic and/or organic biomaterials, progenitor cells, and biochemical stimuli. Despite the increased levels of success towards bone regeneration, there are no strategies that fully and successfully replicate the true complexity of bone tissue and the nanoscale biomineralization microenvironment. Herein, we propose a biomimetic strategy where a bioactive cryogel scaffold based on platelet lysate (PL) crosslinked through aldehyde-functionalized cellulose nanocrystals (a-CNCs) incorporates mineralized CNCs (m-CNCs) in order to replicate the nanoscale biomineralization process and microenvironment and promote the osteogenic differentiation of progenitor/stem cells. Moreover, we intended to mimic the native non-collagenous proteins (NCPs) role on regulating the deposition of both intra- and extrafibrillar apatite in collagen with the m-CNCs. The developed cryogels enhanced stem cell proliferation, metabolic activity, and alkaline phosphatase activity as well as up-regulated the expression of bon-related markers, without osteogenic supplementation, demonstrating their osteoinductive properties. Ultimately, the proposed nanoscale mineralized cryogel scaffolds provide an alternative with a great level of biomimicry that may be applied in broad bone regenerative approaches.

O tecido ósseo é um compósito orgánico-inorgánico, cuja matriz extracelular (ECM) é fortemente mineralizada à nanoescala, que constitui o esqueleto do corpo e é crucial para a locomoção. É principalmente composto por cristais de apatite embutidos dentro e entre as fibras de colágeno e proteínas não colágenas (NCPs), que se acredita que desempenham um papel ativo no processo de biomineralização em nanoescala. Diversas estratégias de engenharia de tecidos foram propostas combinando biomateriais inorgânicos e / ou orgânicos, células progenitoras e estímulos bioquímicos. Apesar dos elevados níveis de sucesso destas, não existem estratégias que reproduzam totalmente e com sucesso a verdadeira complexidade do tecido ósseo e do microambiente de biomineralização à nanoescala. Neste trabalho propomos uma estratégia biomimética na qual um criogel bioativo baseado em lisado de plaquetas (PL) reticulado através de nanocristais de celulose funcionalizados com grupos aldeído (a-CNCs) incorpora CNCs mineralizados (m-CNCs) podria replicar o processo e o microambiente da biomineralização à nanoescala, e promover a diferenciação osteogénica de células progenitoras/estaminais. Além disso, pretendemos mimetizar o papel das proteínas nativas não colágenas (NCPs) na regulação da deposição de apatite intra- e extrafibrilar no colágenio com a incorporação dos CNCs mineralizados. Os criogéis desenvolvidos aumentaram a proliferação de células estaminais, a atividade metabólica e a atividade da fosfatase alcalina, bem como regularam positivamente a expressão de marcadores relacionados com osso, sem suplementação osteogénica, demonstrando as suas propriedades osteoindutivas. Em suma, os criógeis mineralizados à nanoescala propostos constituem um biomaterial alternativo com um grande nível de biomimética que podem ser aplicados em amplas abordagens regenerativas ósseas.