Preparation and characterization of injectable hybrid gels for bone tissue regeneration

Although capable of self-healing, when subjected to critic size defects, trauma or diseases involving irregular process of synthesis/resorption, the bone tissue need an external intervention to recover its functionality. Currently, the gold standard is considered autograft, which contains the three necessary elements for tissue regeneration: osteogenesis, osteoinduction, osteoconduction. Despite of its advantages, it has some drawbacks, such as the inducted morbidity in the donor site and the high risk to compromise other tissue during the harvesting practise. In the last years many bioactive scaffolds were studied with the aim of inducing bone regeneration, but recently, minimally invasive treatments have been developed using an injectable system. Several injectable hydrogels were used to carry cells in order to regenerate bone, with the aim of reduce as much as possible the surgery invasiveness. The requirements for hard tissue regeneration should be biocompatibility, biodegradability, an easy injectability combined with good mechanical properties after injection and with the possibility to incorporate drugs or cells. Biodegradable hydrogels seem to be the ideal candidates. Besides the hydrogels made of a continuous matrix, colloidal gels made of nanoparticles as building blocks have shown good properties allowing to enhance control by fine-tuning the building blocks characteristics. This work presents an injectable colloidal gel made of organic bisphosphonate-functionalized gelatin nanoparticles and inorganic bioactive glass particles. The excellent biological properties of the organic component combined with the bioactive properties of 45S5 Bioglass and the bisphosphonate-functionalization enhancement of gelatin affinity to calcium phosphate, provide an attractive alternative for bone tissue engineering. Mechanical and biological properties were investigated varying several gel composition parameters. The inorganic component added to gelatin showed gel mechanical improvement, especially in high concentrations. Gelatin was in general elastic and promoted cells proliferation. After functionalization, gelatin became less elastic and less biocompatible, most likely due to the high alendronate concentration. Bisphosphonates, though, despite their high concentration provided cells differentiation, even more evident when combined with bioglass. The work represent a good alternative for bone tissue engineering. The use of gelatin, bisphosphonates and bioglass is excellent for biocompatibility, affinity with bone and mineralization. Obviously, some adjustments in gel composition would optimize the gel, providing a working gel capable to allow cells adhesion, proliferation and differentiation, using a minimally invasive surgical approach.

Il tessuto osseo è il secondo tessuto più trapiantato dopo il sangue. Sebbene sia capace di autorimodellarsi, costruendo o riassorbendo matrice ossea in risposta a stimoli esterni, esistono delle situazioni come osteoporosi, traumi, difetti ossei di dimensioni critiche, in cui un è necessario intervenire per recuperare la funzionalità ossea. Ad oggi, il gold standard è l’autograft, che contiene tutti e tre gli elementi necessari per la rigenerazione del tessuto: osteogenesi, osteoinduzione, osteoconduzione. Sebbene possegga molti vantaggi, primo fra tutti l’assenza di rigetto, presenta anche alcuni svantaggi, come l’indotta morbilità nel sito di prelievo, il rischio di compromettere altri tessuti durante l’intervento e la necessità di un ulteriore intervento chirurgico. Negli ultimi anni, numerosi scaffold bioattivi sono stati studiati con l’obiettivo di indurre la rigenerazione ossea. Recentemente, però, stanno assumendo un sempre maggior interesse trattamenti mini-invasivi, che usano sistemi iniettabili. Diversi idrogeli utilizzati per il trasporto di cellule e farmaci sono stati sviluppati per ridurre quanto più possibile l’invasività chirurgica. I requisiti per la rigenerazione del tessuto osseo sono: biocompatibilità, biodegradabilità, iniettabilità, combinate con buone proprietà meccaniche post-iniezione e con la possibilità di incorporare farmaci o cellule. Oltre agli idrogeli composti da una matrice continua, i colloidi composti da micro- o nanoparticelle hanno mostrato di avere eccellenti proprietà permettendo di aumentare il controllo a livello macroscopico, variando le caratteristiche delle particelle costitutive. Questo lavoro presenta dei gel colloidali iniettabili, composti da una frazione organica e una inorganica. La componente organica sono le nanoparticelle di gelatina, funzionalizzate con bifosfonati, un farmaco utilizzato per il trattamento di disordini di sintesi e riassorbimento osseo, come l’osteoporosi. La componente inorganica sono particelle di biovetri, in particolare il biovetro 45S5. Le eccellenti proprietà biologiche della componente organica, combinate con le proprietà bioattive dei Biovetri e la crescente affinità delle nanoparticelle di gelatina funzionalizzate con il farmaco forniscono un’attraente alternativa per l’ingegneria del tessuto osseo. Basandosi su un lavoro di letteratura consolidato, la glutaraldeide è stata utilizzata per il crosslinking delle nanoparticelle di gelatina funzionalizzate, con l’obiettivo di aumentare l’affinità con la componente ossea minerale. Differenti concentrazioni di biovetri sono state testate per l’analisi delle proprietà meccaniche e biologiche dei gel. La pura gelatina è apparsa in genere elastica e biocompatibile e, come ci si aspettava, ha promosso la proliferazione cellulare. La componente inorganica aggiunta alla gelatina ha provocato un evidente miglioramento nelle proprietà meccaniche, tanto più accentuato all’aumentare del rapporto in peso biovetro/gelatina. La funzionalizzazione della gelatina tramite bifosfonati (in particolare alendronato) ha avuto effetto nella diminuzione delle proprietà meccaniche e nella proliferazione, molto probabilmente a causa dell’alta concentrazione utilizzata. I bifosfonati, però, hanno avuto un’influenza positiva sul differenziamento cellulare e sulla mineralizzazione, ancor più evidenti se combinati con i biovetri. Il lavoro rappresenta una buona alternativa per l’ingegneria del tessuto osseo. L’uso di gelatina, bifosfonati e biovetri è una possibilità concreta e vantaggiosa per biocompatibilità, affinità con l’osso e mineralizzazione. Ovviamente è possibile ottimizzare il gel, agendo sulla sua composizione, producendo un gel funzionante che permetta adesione, proliferazione e differenziamento cellulare, utilizzando un approccio chirurgico non invasivo.