Role of poly (Propylene fumarate)(PPF) based scaffolds in bone regeneration

Abstract

Doku mühendisliği uygulamalarında biyomateryaller, hücrelerin büyümesi, çoğalması vefarklılaşmasında önemli rol oynar. Hücrelerin biyomateryaller ile ilk etkileşimi, hücretutunmasını, büyümesini, çoğalmasını ve farklılaşmasını doğrudan etkiler. Bu nedenle,biyomateryaller biyolojik olarak uyumlu, biyobozunur, fiziksel ve kimyasal olarakbiyolojik dokuyu taklit edebilen nitelikte olmalıdır. Son yıllarda, doğal polyesterler vefumarik asit bazlı polyesterler, biyouyumluluk, biyobozunurluk ve mekanik özelliklerinindiğer polimerlere göre daha iyi olmasından dolayı kemik doku mühendisliği çalışmalarındayoğun ilgi çekmektedir. Kapsamlı olarak incelenen doymamış polyesterlerden biri olanpolipropilen fumarat (PPF), karbon-karbon çift bağlarından dolayı çapraz bağlanabilir,kolayca modifiye edilebilir ve farklı kompozitler ile kemik doku mühendisliğiçalışmalarında kullanabilir.Bu çalışmada, PPF bazlı doku iskelelerinin kemik rejenerasyonundaki rolü araştırılmıştır.Bu amaçla, sentezlenen PPF polimerleri iki fosfonik asit monomer; vinil fosfonik asit(VPA) ve vinil fosfonik asit di-etil esteri (VPES) varlığında farklı konsantrasyonlarda ikifarklı metot kullanılarak kür edilmiştir: uygun radikal başlatıcı ve kataliz varlığında vücutsıcaklığında kür ve mor ötesi (UV) ışık altında oda sıcaklığında kür. Ayrıca, PPF/VPESbazlı iskeleler kemik doku oluşumunu desteklemek için farklı β-TCP konsantrasyonlarında(0, 5, 10, 15, 20) vücut sıcaklığında kür edilmiştir. Hazırlanan doku iskelelerininüzerindeki hücrelerin morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu ilegörüntülenmiştir. Daha sonra, osteoblast hücrelerinin hazırlanan doku iskeleleri ilebiyouyumluluğu, mineralizasyon, alkalin fosfotaz ve osteokalsin aktiviteleri incelenmiştir.Tüm deneyler, UV ışık altında ve vücut sıcaklığında kürlenmiş PPF bazlı iskelelerin vekompozitlerinin biyouyumlu olduğunu ve osteoblast hücrelerinin tutunmasını, çoğalmasını,büyümesini ve farklılaşmasını desteklediğini göstermektedir. Dolayısıyla, bu çalışmada,kemik doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere üretilen çapraz bağlıPPF/VPA ve PPF/VPES bazlı doku iskelelerinin potansiyel kullanımı gösterilmiştir.

In tissue engineering applications, biomaterials have significant roles to support cells andpromote cell growth, proliferation, and differentiation. The initial response of the cells tothe scaffold directly affects the cell adhesion, growth, proliferation and differentiation.Therefore, biomaterials should be biocompatible, biodegradable, and have goodmechanical properties. In recent years, natural polyesters and fumaric acid based polyestershave attracted a lot of interest in bone tissue engineering (BTE) applications because oftheir superior biocompatibility, biodegradability, and mechanical property. One of theextensively investigated polyester is poly (propylene fumarate) (PPF), an unsaturatedlinear polyester, which can be modified or crosslinked through its carbon-carbon doublebonds and used in different composites in tissue engineering applications.The purpose of this study was to investigate the role of PPF based novel scaffolds in boneregeneration. For this purpose, synthesized PPF polymers were cured in the presence oftwo phosphonic acid based monomers; vinyl phosphonic acid (VPA) and vinyl phosphonicacid diethyl ester (VPES) at different concentrations with two methods: cure at bodytemperature (BT) in the presence of a suitable initiator and catalyst and UV cure at bodytemperature. Also, PPF/VPES based scaffolds were cured at different concentrations ofbeta-tricalcium phosphate (β-TCP, 0 per cent, 5 per cent, 10 per cent, 15 per cent, 20 percent) at BT in order to support osteogenesis. Following analyses were carried out toindicate the osteoblast activity in the presence of this novel biomaterial. The morphologyof the cell seeded scaffolds was analyzed by scanning electron microscopy (SEM).Biocompatibility, osteoblast cell attachment, proliferation, mineralization, alkalinephosphatase, and osteocalcin activities were evaluated. All experiments demonstrated thatUV-cured and BT-cured PPF based scaffolds and its composites with β-TCP werebiocompatible and promoted osteoblast cell attachment, proliferation, growth, anddifferentiation. Therefore, significant potential of the usage of crosslinked PPF/VPA andPPF/VPES based scaffolds in BTE applications was shown in this study.