Development of 3D scaffolds based on the interaction of elastin-like polymers and hydroxyapatite for bone tissue engineering

Abstract

Bone disorders have trended steeply upward and it is expected to increase by double within the next five years in the worldwide population. Under these conditions, tissue engineering aims to induce new functional bone as a valid approach to the current therapies via the combination of biomaterials like hydroxyapatite (HA) and the ultimately so-called smart polymers namely, Elastin-Like Polymers (ELPs). It is well know that hydroxyapatite is a well-established bone graft for bone repair due to its biocompatibility, oseointegrity, and osseous inductivity, whereas ELPs have shown to be biocompatible, biodegradable, and to possess a non-immunogenic response. In this work, a new biomaterial was synthesised in the form of hydrogel based on Hydroxyapatite and ELPs. This new hydrogel has shown stability for a period of 10 days without additives such as cross-linking agents, furthermore, Scanning Electron Microscope (SEM) revealed different types of morphology under different concentrations of HA. Additionally, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was used to analyse the composition and spectra of HA and ELPs before and after the synthesis of hydrogel. Difference on spectra bands was not observed before synthesis (peaks in the bands at 1028cm-1 and 1700cm-1) for HA whereas ELPs showed bands at 1076cm-1 and 1647cm-1, nonetheless decrease of the intensity in the bands was observed posterior synthesis. Finally, human mesenchymal stem cells were cultured for a period of 4 days in order to evaluate the biocompatibility of the material, showing cell adhesion revealed by SEM.

Las enfermedades óseas se han incrementado precipitadamente y se espera que aumenten al doble en los próximos 5 años dentro de la población mundial. Bajo estas condiciones, la ingeniería tisular tiene como objetivo crear nuevo tejido ósea funcional como un nuevo elemento en las terapias de recuperación actuales, mediante la combinación de biomateriales como la hidroxiapatita (HA) y los últimamente llamados “polímeros inteligentes” tales como los Polímeros similares a la Elastina (ELPs por sus siglas en inglés). Se sabe que la hidroxiapatita es un sustitutito óseo bien establecido debido a su biocompatibilidad, osteointegridad, e inductividad ósea, mientras que los Polímeros similares a la elastina han demostrado poseer biocompatibilidad, biodegradabilidad, además de no mostrar respuesta inmunológica. En este trabajo, un nuevo biomaterial se sintetizo en base a la hidroxiapatita y los ELPs. Este nuevo hidrogel ha mostrado una estabilidad por un periodo de 10 días sin aditivos tales como los agentes de entrecruzamiento, además, la microscopia de barrido de electrones revelo diferentes tipos de morfologías bajo diferentes concentraciones de hidroxiapatita. Adicionalmente, la espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier se utilizó para analizar la composición y el infrarrojo del HA y los ELPs antes y después de la síntesis del hidrogel. No se observó diferencia en las bandas de espectro de los materiales antes de la síntesis (picos entre 1028cm-1 and 1700cm-1) para la hidroxiapatita, mientras que los ELPs mostraron picos en 1076cm-1 and 1647cm-1, sin embargo, se observó in decremento en la intensidad de las bandas posterior a la síntesis. Finalmente, se utilizaron células madre mesenquimales para cultivarlas por un periodo de 4 días, para así, evaluar la biocompatibilidad del material, el cual mostro adhesión celular que fue revelada por el microscopio de barrido de electrones.