Design of hybrid fibers for bone tissue engineering

Abstract

Most of the conventional organic-inorganic composite materials developed for bone tissue engineering do not possess intimate interactions between their constituents. As a consequence, they generally degrade in a non-homogeneous manner and lose easily their integrity under mechanical load. On the other hand, their bioactive phase (i.e. inorganic) is often masked by the polymeric one, resulting in a non optimal bioactivity. To overcome these problems, hybrid materials can be produced. Hybrids are composites that exhibit an improved synergy between their compounds at the nanoscale. Using the sol-gel method and the electrospinning technique, it has been possible to deposit two kinds of hybrid fibers: one constituted by a Si-Ca-P2 bioactive ormoglass (organically modified glass) and polycaprolactone, and the other by a Ti-Ca-P2-Na2 bioactive ormoglass and polylactic acid. In addition to the sol-gel method, the use of ormoglasses aimed to improve the interactions between the constituents by combining phases of similar nature (organic fragments introduced in the glass network). Both biomaterials showed a promising potential for bone regeneration due to their inherent composition and ability to trigger specific cellular responses such as osteo and angiogenesis. Based on previous studies performed by our group, it was hypothesized that, combined with the other chemical and physical intrinsic properties of the materials, the calcium ions released from the materials played an important role in the promotion of these biological performances. Though, the interactions between the phases in such hybrids are considered as "weak" because they are simply prepared by blending the different compounds together. In fact, a study performed on the degradation of polylactic acid/Ti-Ca-P2-Na2 ormoglass fibers revealed that the materials resorbed in a heterogeneous and rapid manner. Therefore, a new protocol has been implemented to create hybrid fibers with strong chemical interactions between the ormoglass and the polymer. This strategy is based on a coating approach (polylactic acid fibers coated with an ormoglass) and enables the fabrication of scaffolds with controllable properties (surface roughness, composition, stiffness). This can be achieved by modifying the ormoglass composition itself or the level of hydrolysis of the ormoglass precursor solution, for example. One advantage of this approach is moreover the possibility to apply this coating strategy to other structures and, potentially, to other ormoglass systems. This protocol represents thus a significant step forward towards the development of functional artificial 3D biomaterials aimed for tissue engineering. From a general point of view, the work reported in this thesis demonstrates that polymer-ormoglass hybrid materials can be shaped as biomimicking fibrous structures, they are promising for the tissue engineering field and their properties can easily be tailored. Knowing that cells modulate their behavior according to the physical and chemical signals that they receive from artificial matrices, the development of these materials opens valuable perspectives of work for the future, especially in terms of materials' design.

La gran majoria dels materials compostos orgànic-inorgànic convencionals no posseeixen els mínims requisits d'interacció mínima entre els seus constituents per poder ser aplicats en enginyeria tissular d'os. Com a conseqüència generalment degraden de manera inhomogènia perdent fàcilment la seva integritat sota una càrrega mecànica. D'altra banda, la fase bioactiva (per exemple, la fase inorgànica) sol esser emmascarada per la fase polimèrica resultant en una manca de bioactivitat. Per poder solucionar aquest problemes, podem recórrer als materials híbrids. Els materials híbrids son materials compostos que exhibeixen una millorada sinèrgia entres els seus constituents estructurats en la nanoescala. Fent servir el mètode sol-gel i la tècnica d'electrofilat és possible el dipòsit de dos tipus de fibres: unes constituïdes per un ormoglass (vidre modificat orgànicament) dintre del sistema Si-Ca-P2 juntament amb policaprolactona; i unes altres constituïdes per un ormoglass del sistema Ti-Ca-P2-Na2 i àcid polilàctic. A més, s'espera que l'ús d'ormoglasses ajudi a millorar les interaccions entre els diferents constituents en combinar fases de la mateixa naturalesa (fragments orgànics introduïdes en la xarxa vítria). Ambdós biomaterials van mostrar un potencial prometedor per regeneració òssia degut a la seva inherent composició i habilitat per promoure respostes cel·lulars específiques com osteo i angiogènesi. Segons estudis previs fets al nostre grup, es va hipotetitzar que la combinació de determinades propietats químiques i físiques del material, com la capacitat d'alliberació de calci iònic, jugaven un paper important en la promoció de determinades respostes biològiques. Com les interaccions entre aquestes fases està considera dèbil per què només han sigut preparades per un procés de barrejat (blending) dels diferents constituents junts. De fet, un dels estudis aquí presentats encara mostren que és necessari una implementació per ralentir el procés de degradació. Per això, s'ha implementat un nou protocol per crear fibres híbrides amb una forta interacció entre l'ormoglass i el polímer. Aquesta estratègia està basada en un recobriment (fibres d'àcid polilàctic recobertes covalentment de l'ormoglass) i permet la fabricació de bastides amb propietats superficials molt control·lades (rugositat superficial, composició i rigidesa). Es pot aconseguir mitjançant la modificació de la composició de l'ormoglass, per exemple, o el nivell d'hidròlisi de la solució precursora inicial. Una gran avantatge és la possibilitar d'adaptar aquesta estratègia en altres estructures i altres sistemes d'ormoglasses. Aquest protocol representa un pas rellevant cap el desenvolupament de biomaterials 3D funcionals per enginyeria de teixits. Des d'un punt de vista general, el treball descrit en aquesta tesi demostra que un híbrid polímer-ormoglass es pot produir i mimetitzar en fibres, i les seves propietats es poden modular i controlar. Tenint en compte que les cèl·lules adapten la seva resposta en part les diferents senyals químiques i físiques que reben de la matriu artificial, el desenvolupament d'aquest materials esdevé una opció amb unes grans perspectives en el futur, especialment en termes de disseny de materials.