Produção de suportes poliméricos para o crescimento de células-tronco mesenquimais e sua aplicação em regeneração óssea / Polymer scaffolds production for stem cell growing and their application in bone regeneration

RESUMO

Um novo método de modificação da superfície de nanopartículas de hidroxiapatita (HAP) por reação com cloreto de lauroíla foi desenvolvido, gerando a nanopartícula funcionalizada por laurato (HAP-CL). A superfície modificada da HAP foi confirmada por infravermelho, termogravimetria, ressonância magnética nuclear e análise elementar. Provamos por testes mecânicos a capacidade de criar compósitos com alto teor de HAP-CL em matrizes poliméricas de poli(L-acido láctico) (PLLA) e poli(succinato de isosorbídeo-b-L-lactídeo) (PLLA-co-PIS) sem perda significativa de propriedades mecânicas. Diferentes quantidades de HAP-CL, HAP enxertado com PLLA (PLLA-g-HAP) e HAP puro foram dispersadas em soluções de PLLA para formar fibras eletrofiadas. Para comparar a dispersão destas nanopartículas nas fibras e a sua morfologia, análise de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão foram empregadas. A HAP-CL exibiu melhor dispersão na matriz polimérica do que o PLLA-g-HAP e HAP, e permitiu a produção de fibras com grande quantidade de HAP-CL (até 30% massa da fase mineral em relação à massa do polímero(mm/mp)), tanto para o PLLA como para o PLLA-co-PIS. Células tronco mesenquimais derivadas de polpa de dente foram cultivadas em fibras de PLLA com alto teor de HAP-CL, resultando em um aumento significativo da atividade de fosfatase alcalina (ALP), nos dias 14 e 21 (p <0,001) quando comparados com conteúdos mais baixos de HAP-CL, assim como um melhor processo de mineralização apresentado pelos teste de vermelho de alizarina depois de 21 dias (p <0,001). As células cultivadas nas fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram maior atividade de ALP após 21 dias (p <0,05), e melhor processo de mineralização, depois de 14 e 21 dias (p <0,05) do que as fibras de PLLA com 30% de HAP-CL (mm/mp). PLLA e PLLA-co-PIS, ambos contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) induziram uma maior expressão de osteocalcina e osteopontina, dois marcadores de diferenciação osteoblástica, quando comparados ao PLLA e PLLA-co-PIS (controle). Finalmente, em experimentos in vivo, as fibras de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) apresentaram um desempenho superior no processo de neoformação óssea do que as fibras de PLLA com o mesmo conteúdo de nanopartículas. Em conclusão, os nossos resultados in vitro demonstraram que os suportes construídos de compósitos de PLLA-co-PIS contendo 30% de HAP-CL (mm/mp) se mostraram superiores tanto na adesão e proliferação quanto na diferenciação de células mesenquimais de polpa de dente em osteoblastos. Além disso, experimentos in vivo confirmaram estes resultados, demonstrando que estes nanocompósitos são excelentes modelos para implantes destinados a regeneração óssea

ABSTRACT

A new method of surface modification of hydroxyapatite nanoparticles (HAP) by reaction with lauroyl chloride was developed, producing the laurate functionalized nanoparticle (HAP-CL). The surface modified HAP was confirmed by infrared, thermogravimetric analysis, nuclear magnetic resonance and elemental analysis. We proved by mechanical tests the ability to create composites with high HAP-CL content in poly(L-lactic acid) (PLLA) and poly(isosorbide succinate-b-L-lactide) (PLLA-co-PIS) polymeric matrixes without significant loss of mechanical properties. Different amounts of HAP-CL, HAP grafted with PLLA (PLLA-g-HAP) and HAP were dispersed in pure PLLA solutions to form nanofibers. To compare the dispersion of these nanoparticles in the fibers and their morphology, scanning and transmission electron microscopies were employed. HAP-CL showed better dispersion in the polymer matrix than the PLLA-g-HAP and HAP, and allowed fiber production with large amounts of HAP-CL (up to 30% mineral to polymer weight (wm/wp)) for both PLLA and PLLA-co-PIS. Mesenchymal stem cells derived from dental pulp were cultured in PLLA fibers with high levels of HAP-CL, resulting in a significant increase in alkaline phosphatase activity (ALP), on days 14 and 21 (p <0.001) as compared to those with lower content HAP-CL, as well as a better mineralization process shown by alizarin red test after 21 days (p <0.001). Cells grown in PLLA-co-PIS fibers containing 30% of HAP-CL showed higher ALP activity after 21 days (p <0.05) and a better mineralization process, after 14 and 21 days (p <0.05 ) than fibers of PLLA with 30% HAP-CL. PLLA and PLLA-co-PIS, both containing 30% of HAP-CL (wm/wp) induced a higher expression of osteocalcin and osteopontin, two osteoblast differentiation markers when compared with PLLA and PLLA-co-PIS (control). Finally, in the in vivo experiments, the PLLA-co-PIS fibers containing 30% HAP-CL (wm/wp) outperformed the process of bone formation than PLLA fibers with the same content of nanoparticles. In conclusion, our in vitro results demonstrated that scaffolds from composites of PLLA-co-PIS containing 30% HAP-CL (wm/wp) were superior both in adhesion and in the differentiation and proliferation of dental pulp stem cells in osteoblasts. Furthermore, in vivo experiments confirmed these results, demonstrating that these nanocomposites are excellent models for implants for bone regeneration