Towards a bone-on-a-chip with physiological trabecular structure by combining biomimetic coating and high-resolution 3D printing

In order to study the molecular and cellular interactions occurring in the bone microenvironment, 3D human vascularized bone models have been largely employed. However, the current in vitro bone models have limitations in mimicking the bone composition and its architecture. In this study, we developed a bone in vitro model that included a 3D printed bone-like trabecular structure with high resolution. To do this, we printed the bone-like trabeculae via DLP that allows to reach high resolution by employing acrylated commercial resins. Afterwards, in order to improve the bone-like properties of the trabeculae, a CaP coating was optimized by employing a biomimetic coating technique that involved the use of simulated body fluid (SBF). The parameters that was evaluated are the soaking condition, the soaking time, ions concentration and soaking volume. The coating was characterized using a calcium colorimetric assay and alizarin red staining to perform respectively a quantitative and a qualitative analysis. Moreover, to assess the composition, the homogeneity and the time-stability SEM/EDX and OsteoImage was carried out. Then, biological characterization was accomplished, assessing cytocompatibility and the ability of the coating to promote osteodifferentiation (culturing BMSCs, monocytes and both cell types in coculture). Finally, we designed a single-channel device that integrated the CaP coated trabecular structure. This preliminary device was further improved in order to develop a bone in vitro model that allowed to investigate the complex bone microenvironment

Per studiare le interazioni molecolari e cellulari che avvengono nel microambiente dell’osso, modelli di osso umano 3D vascolarizzati sono stati largamente impiegati. Comunque, i modelli impiegati in vitro hanno limitazioni nel mimare la composizione dell’osso e la sua architettura. In questo studio, abbiamo sviluppato un modello in vitro di osso che ha incluso un struttura trabecolare simile all’osso stampata in 3D che alta risoluzione. Per fare ciò, abbiamo stampato delle trabecole simili all’osso utilizzando un DLP che permette di raggiungere alte risoluzioni utilizzando resina acrilica commerciale. Per migliorare le proprietà che rendono le trabecole simili all’osso un coating di CaP è stato ottimizzato utilizzando una tecnica di coating biomimetica che comporta l’uso del Simulated body fluid (SBF). I parametri che sono stati analizzati sono stati le condizioni di ammollo, il tempo di ammollo, la concentrazione ionica e il volume di ammollo. Il coating è stato caratterizzato usando la calcium colorimetric assay e l’alizarin red staining per portare avanti rispettivamente analisi quantitative e qualitative. In più per valutare la composizione, l’omogeneità e la stabilità nel tempo analisi SEM/EDX e OsteoImage staining sono state portate a termine. Poi, è stata fatta una caratterizzazione biologica, dimostrando la citocompatibilità e l’abilità del coating di promuovere osteodifferenziamento (facendo colture di BMSCs, monociti e tutte e due i tipi cellulari in cocoltura). Infine, abbiamo creato di design del dispositivo a singolo canale che ha integrato la struttura trabecolare con il coating di CaP. Questo dispositivo preliminare è stato migliorato per creare un modello in vitro che permetta di investigare l’ambiente complesso dell’osso.