Valutazione di un nuovo scaffold in schiuma di poliuretano per la rigenerazione in vitro di tessuto cartilagineo

Articular cartilage injuries are one of the most challenging issues of medicine due to the poor intrinsic ability of this tissue to regenerate. The poor outcomes of the conventional therapies have prompted research into tissue engineering combining chondrogenic cells, scaffold materials and environmental factors. Many in vivo and in vitro investigations have been done evaluating several biomaterials. Three-dimensional biodegradable synthetic polymeric systems are of particular interest, because their porosity, degradation time, mechanical properties can be varied, as well as their reproducibility. Possible candidate materials for such scaffolds are polyurethane foams. The aim of the present study is to evaluate the potential of a porous three-dimensional scaffold from a new polyurethane foam to support attachment and proliferation of primary chondrocytes, and promote the deposition of extracellular matrix proteins. Thus, we evaluated cell proliferation and their capacity to produce the characteristic matrix of the native tissue when cultured under static conditions. Unfortunately dedifferentiated chondrocytes did not recover their differentiated phenotype when they are seeded in the scaffold and stimulated by chondrogenic factors. In addition to the chemical factors, mechanical stimulation plays a key role in maintaining the cell phenotype. Culture medium perfusion through tissue-engineered constructs may overcome diffusion limitations associated with static culturing, and may provide mechanical stimuli. Consequently the present study intends to evaluate the potential application of the scaffold under perfusion conditions, by the calculation of the number of cells detached. Because of the low potential of the scaffold to support cellular attachment, we proposed three strategies to enhance cell adhesion to the scaffold: coating with Fetal Bovine Serum (FBS), activation of the surface with plasma and following coating with FBS, and activation of the surface with plasma and following coating with collagen type I. The data showed that scaffolds treated with plasma and collagen type I cause a reduction of cells detaching compared to others scaffolds.

Le lesioni della cartilagine articolare costituiscono una delle maggiori sfide medico-sanitarie a causa della scarsa capacità rigenerativa del tessuto. I limiti delle terapie convenzionali hanno spinto la ricerca verso l’ingegneria dei tessuti, ossia la possibilità di combinare cellule condrogeniche, supporti tridimensionali (scaffold) e adeguati stimoli per indurre la rigenerazione tessutale. Sono stati condotti vari studi, sia in vitro che in vivo, per la valutazione di diversi biomateriali. Particolare interesse rivestono i supporti 3D costituiti da polimeri sintetici, grazie alla loro riproducibilità e alla possibilità di controllare porosità, cinetica di degradazione e proprietà meccaniche. Un possibile materiale utilizzabile come scaffold è la schiuma di poliuretano. Un obiettivo di questo lavoro è quello di valutare la capacità di uno scaffold poroso in schiuma di poliuretano di garantire l’adesione e la proliferazione di condrociti primari, nonché la sintesi di matrice extracellulare. A tal proposito è stato inizialmente condotto un esperimento di coltura in condizioni statiche per verificare come le cellule all’interno dello scaffold potessero proliferare e produrre i componenti tipici della matrice extracellulare cartilaginea. Il comportamento delle cellule in coltura statica mostra come la semina dei condrociti primari sullo scaffold tridimensionale ed il condizionamento biochimico non sia sufficiente a far riacquisire il fenotipo differenziato ai condrociti espansi in monostrato. È necessario quindi un appropriato condizionamento meccanico. In particolare è fondamentale la perfusione interstiziale che, oltre ad essere uno stimolo meccanico per le cellule seminate sullo scaffold, ha la funzione di favorire i trasporti di massa attraverso il costrutto tridimensionale ed è indispensabile soprattutto per colture a lungo termine, dove la porosità dello scaffold si riduce drasticamente a causa della crescita di matrice e quindi si hanno sempre più barriere alla diffusione. Per questo motivo si è valutata la potenziale applicazione dello scaffold in condizioni di perfusione, mediante dei semplici set-up sperimentali ideati a questo scopo. Riscontrata la scarsa adesione cellulare allo scaffold vengono proposte tre strategie per incrementarla: il coating con Fetal Bovine Serum (FBS), l’incremento dell’idrofilicità del materiale mediante attivazione superficiale con il plasma di ossigeno seguita da coating con FBS, l’incremento dell’idrofilicità del materiale mediante attivazione superficiale con plasma di ossigeno seguita da coating con collagene di tipo I. I risultati mostrano che l’attivazione superficiale mediante plasma di ossigeno e il successivo coating con collagene di tipo I è il trattamento superficiale che, fra i tre, dà i migliori risultati in termini di adesione cellulare e mantenimento delle cellule sullo scaffold in condizioni di perfusione.