Influence of trabecular curvature and bone geometry on osteoclast differentiation using xolography printed PEGDA scaffolds

The geometry of trabecular bones has a great impact upon bone remodeling through mechanical means as well as biochemical signals. As such, changes in the geometry of trabecular bones are expected to affect both osteoclast adherence and subsequent bone resorption in osteoporosis. Therefore, this research sought to examine how curvature-defined domains extracted from healthy and osteoporotic bone would affect osteoclast adhesion and survival when converted into three dimensional hydrogel scaffolds printed using xolographic printing. Morphometric analysis of trabeculae was conducted at the synchrotron source. A nonlinear relationship was observed between the trabecular thickness and curvature for both healthy and osteoporotic bone samples. Additionally, greater heterogeneity was found in the curvature distribution for the osteoporotic bone samples; whereas, a more uniform distribution was identified in the healthy bone samples. The 25th and 75th percentiles of the curvature distribution for osteoporotic bone were used as statistical representations of the parameters for scaffold design. Pilot experiments were conducted to assess the quality of the xolographic printing process using the Xube-1 xolographic printer. Printing quality assessments demonstrated that PEGDA (40%) had superior geometric fidelity than PEGDA/PEGDMA (30% - 10%) and PEGDA/GelMA (10% - 10%). Superior printing quality resulted in successful replication of curved surfaces down to 0.15 mm radius. Initial pilot studies revealed that PEG-based hydrogels require surface modification to support osteoclast adhesion. Surface modification of the hydrogel scaffolds using an LDOPA coating was shown to enhance initial cell attachment and viability over short term periods. However, during longer culture times, significant cellular stress was identified through metabolic assays. Preliminary data suggested that PrestoBlue may be subject to optical or chemical artifacts due to the nature of the PEGDA hydrogel scaffolds; whereas, LDH quantitation was able to demonstrate complete loss of cell viability by days 13 and 16. These data were supported by secondary SEM and confocal microscopy analyses. In conclusion, this research demonstrates that curvature-controlled PEGDA scaffolds modified with L-DOPA can enhance osteoclast adhesion to curvature-defined surfaces similar to those found within physiological environments. While, limitations in maintaining viable cells for extended periods precluded assessment of osteoclast differentiation and bone resorption, this study provides a geometrically defined in vitro system for assessing the effects of curvature-defined environments on osteoclast function in the context of osteoporotic bone remodeling.

Il rimodellamento osseo è un processo altamente influenzato non solo da segnali biochimici ma anche dalla geometria delle superfici ossee . Nell’osteoporosi, le alterazioni dell’architettura trabecolare modificano la distribuzione locale delle curvature, potenzialmente influenzando l’adesione e la capacità di riassorbire il tessuto osseo da parte degli osteoclasti. Il presente studio ha avuto come obiettivo quello di studiare come diverse superfici curve con raggi di curvatura derivati da campioni di osso sano e osteoporotico influenzino l’adesione e la sopravvivenza degli osteoclasti su scaffold tridimensionali in PEGDA hydrogel fabbricati mediante stampa xolografica. L’analisi morfometrica basata su scansioni al sincrotrone non ha evidenziato una correlazione tra spessore trabecolare e raggio di curvatura né nei campioni sani né in quelli osteoporotici. Tuttavia, l’osso osteoporotico ha mostrato una maggiore eterogeneità nella distribuzione delle curvature rispetto ai campioni sani, caratterizzati da un profilo più omogeneo. Il 25° e il 75° percentile della distribuzione di curvatura dei campioni osteoporotici, corrispondenti a circa 300 μm e 600 μm, sono stati selezionati come parametri geometrici statisticamente rappresentativi per il design degli scaffold. La valutazione della qualità di stampa effettuata sulla stampante xolografica Xube 1 ha dimostrato che il PEGDA (40%) garantisce una fedeltà geometrica superiore rispetto a PEGDA/PEGDMA (30%-10%) e PEGDA/GelMA (10%-10%), riuscendo a riprodurre superfici curve fino a un raggio di 0.15 mm. I test preliminari hanno evidenziato come gli hydrogel a base di PEG richiedano una funzionalizzazione superficiale per favorire l’adesione degli osteoclasti. Il coating con L-DOPA ha migliorato significativamente l’attacco cellulare iniziale e la opravvivenza a breve termine. Durante la coltura a lungo termine, tuttavia, i saggi metabolici hanno evidenziato un progressivo stress cellulare. Le misurazioni con PrestoBlue sono risultate influenzate da interferenze ottiche o chimiche legate allo scaffold, mentre l’analisi LDH ha mostrato una completa perdita di vitalità cellulare ai giorni 13 e 16. Tali risultati sono stati confermati dalle analisi SEM e confocale. Nel complesso, lo studio dimostra che scaffold in PEGDA funzionalizzati con L-DOPA e controllati geometricamente possono promuovere l’adesione degli osteoclasti su superfici curve. Tuttavia, le limitazioni nella sopravvivenza a lungo termine hanno impedito una valutazione completa della differenziazione e dell’attività riassorbitiva. I risultati pongono le basi per una piattaforma in vitro geometricamente fondata per future indagini meccanobiologiche sulla regolazione degli osteoclasti in condizioni osteoporotiche.