Bioprinted 3D scaffolds incorporating barium titanate coated calcium phosphate nanoparticles as a model to study bone mineralization

Bone diseases are becoming a real issue not only for our aging population, but also for healthcare systems with considerable costs. In recent years, an increasing number of tissue engineering studies have been carried out in this field. Therefore, it came to light the need to propose an alternative to the expensive and more complicated animal trials. Bone organoids are a promising approach for the in vitro research of bone physiology and human bone pathologies. 3D printing allowed to obtain complex cell-laden scaffolds at the centimeter scale, with controlled shape, porosity and interconnectivity. To further advance the field, bioinks with good printability and cell compatibility are required to be able to mimic bone properties, first and foremost a suitable mineralization. Following this line of research, Zhang et al. presented a promising gelatin-alginate-graphene oxide ink, showing high cell viability, cell spreading and mineral formation. In this thesis we proposed a new version of this ink, adding barium titanate nanoparticles and barium titanate nanoparticles with calcium phosphate coating. We hypothesized that cultivating the scaffolds in dynamic compression bioreactors under cyclic loading, these piezoelectric nanoparticles can improve mineralization. The bioinks were selected based on rheology and scaffold mechanics. Then, cell viability and cell spreading were investigated after 7 and 21 days of static cell-laden scaffold culture. The most promising inks were tested during a 42 days dynamic compression bioreactor study and the scaffold mineralization was monitored and quantified by weekly micro-CT imaging. Scaffolds bioprinted with inks containing nanoparticles showed a higher mineralization compared to pure gelatin-alginate-graphene oxide inks. The incorporation of barium titanate nanoparticles can improve the previous ink, representing a good option to develop a promising in vitro bone model to study the role of different materials during bone mineralization.

Le patologie legate al sistema osseo stanno diventando un problema serio non solo per la popolazione, la cui età media sta aumentando sempre più, ma anche per la sanità che deve affrontare costi considerevoli. Negli ultimi anni, l’ingegneria dei tessuti si è impegnata con un numero crescente di studi in questo campo. È quindi emersa la necessità di proporre un'alternativa ai costosi e spesso problematici esperimenti sugli animali. Gli organoidi ossei sono un approccio promettente per la ricerca in vitro della fisiologia e delle patologie ossee. La stampa 3D ha permesso di ottenere scaffold cellulari complessi in scala centimetrica, con forma, porosità e interconnettività controllate. Per poter avanzare in questa direzione, è però necessario lo sviluppo di bioinchiostri con una buona stampabilità e biocompatibilità, i quali siano in grado di imitare le proprietà del tessuto osseo, e quindi garantire soprattutto un’adeguata mineralizzazione. Seguendo questa linea di ricerca, Zhang et al. hanno presentato un inchiostro a base di gelatina-alginato-ossido di grafene, mostrando buona vitalità e diffusione cellulare e un’elevata formazione di minerale. In questa tesi abbiamo proposto una nuova versione di questo inchiostro, aggiungendo nanoparticelle di bario titanato e nanoparticelle di bario titanato rivestite di calcio fosfati. Questa scelta deriva dall’intuizione che, coltivando gli scaffold cellulari in bioreattori a compressione ciclica, queste nanoparticelle piezoelettriche possano migliorarne la mineralizzazione. I bioinchiostri sono quindi stati selezionati sulla base di studi reologici e prove meccaniche. Successivamente, la vitalità, la proliferazione e la differenziazione cellulare sono state studiate dopo 7 e 21 giorni di coltura statica degli scaffold cellulari. Gli inchiostri più promettenti sono stati testati durante una coltura degli scaffold cellulari in bioreattori a compressione ciclica per 42 giorni e la mineralizzazione degli scaffold è stata monitorata e quantificata mediante micro-CT settimanali. Gli scaffold stampati con gli inchiostri contenenti le nanoparticelle hanno mostrato una maggior mineralizzazione rispetto a quelli stampati con l’inchiostro precedente. Pertanto, l'incorporazione di nanoparticelle di bario titanato ha permesso di migliorare l’inchiostro proposto da Zhang et al., rappresentando una valida opzione per sviluppare un promettente modello in vitro per studiare il ruolo dei diversi materiali durante la mineralizzazione ossea.