Synthesis and biological testing of nanowires for tissue regeneration

Abstract

L’ingegneria tissutale si sta concentrando sempre più verso lo sviluppo di nuove strategie per la rigenerazione ossea, target che rappresenta un focus di interesse centrale per migliorare la gestione di casi clinici complessi nell’ambito della chirurgia orale e maxillo-facciale. Uno degli approcci più utilizzati in questo ambito è lo sviluppo di micro- e nanotopografie superficiali che consentano di aumentare le proprietà osteoinduttive dei biomateriali e nello specifico dei materiali implantari. È noto da letteratura che negli ultimi anni è aumentata notevolmente la consapevolezza dell’importanza non solo della microtopografia, ma anche della nanotopografia superficiale dei biomateriali. Infatti, la disposizione nanotopografica dei segnali extracellulari è di fondamentale importanza per controllare adesione, proliferazione e differenziamento cellulare, eventi che portano alla rigenerazione del tessuto. Nonostante non siano ancora note le distribuzioni spaziali ideali per favorire la risposta cellulare, a causa dell’intricata composizione della matrice extracellulare, è noto che la loro disposizione debba essere nel range dimensionale dei suoi componenti. È stato inoltre sottolineato come le cellule rispondano specificamente a differenti nanopatterns superficiali attivando specifici pathways di trasduzione del segnale topografia-dipendenti (ad esempio i cambiamenti conformazionali del citoscheletro, la motilità cellulare, ecc.). In questo lavoro sono state utilizzate nanostrutture create ad hoc per ottimizzare l’adesione, la proliferazione ed il differenziamento delle cellule ossee, con l’intenzione finale di aumentare l’osteointegrazione degli impianti dentali. In particolare, sono stati sviluppati e caratterizzati, sia dal punto di vista fisico-chimico, sia dal punto di vista biologico, differenti tipologie di nanofili, in presenza ed assenza di una funzionalizzazione con 3-mercaptopropil-trimetossisilano. Questa scelta è basata sul fatto che la molecola che favorisce il differenziamento osteoblastico. Gli studi di citocompatibilità effettuati su nanofili di ossicarburo di silicio non mostrano tossicità cellulare, sia per quanto riguarda i nanofili di controllo, sia per i funzionalizzati. È stato notato un aumento della proliferazione in seguito alla funzionalizzazione con 3-mercaptopropil-trimetossisilano, probabilmente dovuta al differente pattern di adsorbimento proteico, oltre che una migliore adesione ed una maggiore espressione dei geni tipicamente legati al differenziamento osteoblastico precoce. Infine, i nanofili di ossido di titanio hanno mostrato buone potenzialità sia per lo stimolo del differenziamento osteoblastico, sia per fungere da substrato di ancoraggio per gli osteoblasti, a conferma del fatto che su superfici nanostrutturate la risposta cellulare viene aumentata, in favore delle funzioni rigenerative dell’osso. In conclusione, possiamo affermare che entrambi, nanofilii di ossicarburo di silicio e nanofili di ossido di titanio, sono substrati promettenti per il miglioramento dell’osteointegrazione degli impianti dentali.

Nowadays, tissue engineering has been focusing on the development of promising strategies for bone regeneration, which is the fundamental process to consider in order to improve the success of complex clinical cases in the field of oral and maxillo-facial surgery. One of the most common approaches has been the development of micro- and nanotopographies leading to an increase of osteoconductive properties of biomaterials and, in particular, of implantable materials. It is well known that the importance of biomaterials surfaces micro- and nanotopography has been increased in the last decades. Indeed, nanotopographic disposition of extracellular signals has revealed to be central in the control of cellular adhesion, proliferation and differentiation, all events having a positive impact on tissue regeneration. Although the lack of information about the ideal spatial distribution promoting cellular response, it has been demonstrated that this disposition should be in the dimensional range of its components. Furthermore, it has been underlined the cellular ability to specifically respond to different nanopatterns in order to activate particular topography-dependent signal transduction pathways (for instance conformational changes of the cytoskeleton, cellular motility). The aim of this project was to improve dental implants osteointegration with the use of nanostructures created ad hoc to optimize bone cells adhesion, proliferation and differentiation. Particularly, different categories of nanowires have been developed and characterized on the basis of their physico-chemical and biological properties in presence and in absence of functionalization with 3-mercaptopropyltrimethoxysilane. This kind of functional group has been chosen as the molecule can advance osteoblastic differentiation. Results of cytocompatibility studies performed on silicon oxycarbide nanowires demonstrated no toxic effects for control nanowires as well as functionalized. It has been shown an increase of cells proliferation after functionalization, probably due to factors as different protein absorption pattern, improved adhesion and expression of genes having a fundamental role in the early stages of osteoblastic differentiation. In addition, titanium dioxide nanowires revealed to have great potential both for osteoblastic differentiation and focal adhesion formation, confirming the idea that nanostructured surfaces can promote cellular response supporting bone regeneration. In conclusion, silicon oxycarbide nanowires and titanium dioxide nanowires have been confirmed to be promising substrates to improve dental implants osteointegration.