3D woven scaffolds for bone tissue engineering

Abstract

Bone tissue engineering has become a rapidly expanding research area because it offers a promising new approach for bone repair and regeneration. Compared to traditional autograft and allograft procedures, bone tissue engineering techniques based on the use of scaffolding materials in combination with autogenous stem cells can eliminate problems of donor site morbidity associated with the harvest of bone tissue, and its short supply. Clearly, the choices of material as well as a scaffold design that enhance bone regeneration are major challenges in the tissue engineering approach. Fibers in the micro-range in combination with textile-based technologies are consider as potential routes for the production of complex scaffolds since they can be used to generate a wide range of morphological structures and geometrically varied structures with high precision. Therefore in this thesis the specific objects were to: (i) develop a biocompatible composite fiber from poly(lactic acid) (PLA) and hydroxyapatite (HA) by melt spinning, (ii) design a 3D textile scaffold utilizing weaving and (iii) evaluate the scaffolds’ performance as a bone substitute material in vitro.

In the present study PLA/HA composite fibers were successfully produced, and found to possess sufficient mechanical strength even at high loading concentrations (i.e. 20wt %), to be useful in a textile process. In addition, the material was shown to be biocompatible and the presence of HA in the PLA composite significantly enhanced the initial cell attachment. In a 3D woven scaffold, bone marrow derived human mesenchymal stem cells (hMSCs) differentiated into osteoblasts and mineralized bone formation in vitro was observed through-the-thickness of the scaffold. Taken together, these results indicate the potential feasibility of PLA/HA composite fiber in a 3D woven scaffold for use as a bone substitute material in tissue engineering applications.

Tiivistelmä

Luupuutosten korvaaminen kudosteknologisesti on kehittynyt nopeasti ja tutkimustulokset tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia tuottaa uutta luuta luupuutosalueelle. Perinteisiin potilaan omasta luusta tehtyihin luusiirteisiin ja pankkiluusiirteisiin verrattuna potilaan omat kantasolut voivat vähentää ongelmia, joita ovat siirremateriaalin rajallinen saatavuus ja vieraan kudoksen aiheuttamat reaktiot. On tärkeä etsiä hyviä materiaaleja, joista voidaan valmistaa sellaisia kolmiulotteisia (3D) rakenteita, joilla tehostetaan luun paranemista ja uuden luun muodostumista. Kutomalla tuotetut tukirakenteet mahdollistavat kantasolusiirteille kolmiulotteisuuden, jota voidaan säädellä monipuolisesti ja tarkasti. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena oli: (i) kehittää bioyhteensopiva kuitu maitohappopolymeeristä poly lactic acid (PLA) ja hydroksiapatiitista (HA) kuituekstruusiolla, (ii) suunnitella ja kutoa tästä kuidusta 3D tekstiilirakenne, ja (iii) tutkia sen toimivuus ja ominaisuudet luunmuodostusta tukevana materiaalina soluviljelyolosuhteissa.

Tämä tutkimus osoittaa, että PLA kuitua voidaan seostaa hydroksiapatiitilla, ja PLA/HA kuidut ovat mekaanisesti kestäviä sisältäessään jopa 20 painoprosenttia hydroksiapatiittia. Siten kuidut ovat tekstiilin valmistuksessa käyttökelpoisia. Lisäksi materiaali osoittautui bioyhteensopivaksi, ja hydroksiapatiitti paransi solujen tarttumista PLA kuituun viljelyn alkuvaiheessa. Ihmisen luuytimestä peräisin olevat sidekudoksen kantasolut (hMSCs) erilaistuivat soluviljelmässä luuta muodostaviksi soluiksi eli osteoblasteiksi, ja tuottivat mineralisoitunutta luun väliainetta kautta koko kudotun tukirakenteen. Johtopäätöksenä on, että PLA/HA yhdistelmäkuitua voidaan kutoa kolmiulotteiseksi tukirakenteeksi, ja sitä on mahdollista käyttää apuna korvattaessa luupuutoksia kudosteknologian keinoin.