Evaluation of bacterial nanocellulose-bioglass composites for hard tissue engineering

Abstract

Abstract : Bone losses due to degenerative diseases, traumas and dental defects have increased as a result of population aging, causing numerous limitations to the patients. The need to replace these damaged tissues and restore their physiological functions has increased the interest of researchers in developing new biomaterials. An ideal scaffold should have appropriate microstructures to facilitate cell attachment and proliferation, bear mechanical strength, be biodegradable and induce cell differentiation for tissue regeneration. The aim of this study is to produce and evaluate composites based on bacterial nanocellulose (BNC)and bioactive glass for hard tissue engineering. The scaffolds were synthesized by ex situ incorporation of Bioglass® (BG) particles into BNC matrices, where pre-produced polymer hydrogels were soaked in an aqueous solution of bioglass. The organic/inorganic composites are still novel at in the literature, called BNC-BG, were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) to understand the transformations occurred during scaffold synthesis and their morphology assessed by scanning electron microscopy (SEM). Furthermore, the composites were characterized as their mechanical properties and by Brunauer Emmett Teller (BET) method to evaluate their superficial area and pore volume. Bioglass® has an interesting trait when immersed in body fluid, a layer of hydroxyapatite (HA) forms on its surface, similar to inorganic component of bones. To assess this bioactivity, formation of apatite on their surface, BNC-BG composites were soaked in simulated body fluid and further analyzed by SEM micrographs and FTIR. Murine fibroblasts (L929) and preosteoblasts cells (MC3T3-E1) were seeded on the scaffolds and cultured in vitro. Results indicated that the composites have great potential for tissue regeneration, BNC-BG provided a major surface area for HA formation, improved mechanical strength and regulated the physiological activity of different cell lines; low BG concentration in BNC matrix favored proliferation of fibroblasts and larger, increased preosteoblastic metabolic activity. The developed three-dimensional BNC-BG scaffold suggests potential for hard tissue engineering and regeneration.

Perdas ósseas decorrentes de doenças degenerativas, traumas e defeitos dentais têm aumentado em função do envelhecimento populacional, causando inúmeras limitações aos pacientes. A necessidade de substituir esses tecidos danificados e restaurar sua funcionalidade fisiológica tem aumentado o interesse de pesquisadores em desenvolver novos biomateriais. Um scaffold ideal deve apresentar uma estrutura apropriada para a fixação e proliferação celular; suportar forças mecânicas; ser biodegradável; induzir a diferenciação celular e regeneração do tecido. O objetivo deste trabalho foi produzir um compósito à base de nanocelulose bacteriana (BNC) combinada com vidro bioativo. Os scaffolds foram sintetizados através da incorporação ex situ de partículas de Bioglass®(BG) à matriz polimérica da BNC. Os compósitos orgânico-inorgânico ainda inéditos na literatura, denominados BNC-BG, foram caracterizados por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) para entender as transformações ocorridas durante sua síntese; e sua morfologia avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Além disso, foram caracterizados quanto às suas propriedades mecânicas, área superficial e volume de poros. O Bioglass® tem uma característica interessante quando imerso em fluido corporal, uma camada de hidroxiapatita carbonatada se forma em sua superfície, semelhante ao componente inorgânico do osso. Para avaliar a bioatividade, formação de hidroxiapatita (HÁ) na superfície, os compósitos foram colocados em fluido corporal simulado e posteriormente analisados por MEV e FTIR. Células de fibroblastos murinas (L929) e pré- osteoblastos (MC3T3-E1) foram semeadas nos scaffolds e cultivadas in vitro durante sete dias. Os resultados indicaram que o compósito desenvolvido possui grande potencial para regeneração tecidual; forneceu uma maior área superficial para a formação de HA; melhorou a força mecânica e regulou a atividade fisiológica das diferentes linhagens celulares;em baixa concentração de BG na matriz de BNC, favoreceu a proliferação de fibroblastos e nas maiores, aumentou a atividade metabólica dos pré-osteoblastos. O scaffold BNC-BG desenvolvido apresenta enorme potencial para engenharia de tecidos e regeneração óssea.