The effect of bone surface mimicked magnetic particle embedded pdms membranes on human osteoblast cell behavior

Abstract

Hücre mikroçevresi, hücre davranışlarına ve hücre metabolizmasına etki eden biyofiziksel, biyokimyasal ve biyomekanik özelliklerin tümü olarak tanımlanabilir. Bu özellikler, yüzeylerin topografyası, pürüzlülüğü ve sertliğinin yanı sıra hücre dışı matris ve çeşitli çözülebilir faktörleri içermektedir. Hücre mikroçevresi üzerindeki değişiklikler doğrudan ya da dolaylı olarak hücre içerisindeki çeşitli sinyal yolağlarını aktifleştirerek hücre metabolizmasını etkilemektedir. Bu tezde, manyetik partikül gömülü (ağırlığınca %0.5) kemik yüzey taklitli polidimetilsiloksan (PDMS) yüzeylerin hücre metabolizması ve davranışları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kemik dokusu mikroçevresi, kemik yüzey taklitli membran yüzeylerinin hücre dışı matris proteinleri olan Fibronektin ve Kollajen tip I ile kimyasal olarak modifiye edilmesi ile taklit edilmiştir. Hücre metabolizması üzerindeki olası etkilerin gözlemlenmesi için insan fetal osteoblast hücreleri bu manyetik partikül gömülü kemik yüzey taklitli doku iskelelerin üzerine ekilmiştir. Düz, kemik yüzey taklitli ve manyetik partikül gömülü PDMS membranların malzeme karakterizasyonları için su temas açısı, Titreşimli Örnek Manyetometresi, Fourier transform kızılötesi spektrometresi, Taramalı Elektron Mikroskobu ve Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanılmıştır. Hücre davranışlarının gözlemlenmesi için alamarBlue hücre proliferasyon tayini, indirekt MTT sitotoksisite tayini ve aktin hücre iskeleti ve çekirdek boyamaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonuçları göstermektedir ki, protein modifikasyonu ve kemik yüzey dokusunun membran yüzeylerine transferinden kaynaklı artış gösteren pürüzlülük, osteoblast hücre tutunması ve proliferasyonu arttırmıştır. Ayrıca hücre morfolojilerinin doğal olduğu gözlemlenmiş ancak manyetik partiküllerin mekanotransdüktif ve hücre içi sinyal yolağları üzerinde olası etkilerinin gözlemlenmesi için daha fazla çalışma yapılması gerekmektedir.

Cell microenvironment can be defined as all biophysical, biochemical, biomechanical properties that affect cell behaviour and cell fate. These factors include surface topography, roughness, stiffness along with the extracellular matrix (ECM) and presence of other soluble factors. Changes in the microenvironment are directly or indirectly converted into signalling pathways inside the cell and affect cellular metabolism. In this thesis, effects of surface topography and surface chemistry were investigated by synthesizing magnetic particle embedded (MP) (0.5%w/w) bone surface mimicked (BSM) polydimetylsiloxane (PDMS) membranes on osteoblast behavior. Bone tissue microenvironment were imitated by chemically modifying membrane surfaces with extracellular matrix proteins Fibronectin (FN) and type-I Collagen (Col-I). Human fetal osteoblast cells (hFOB) were seeded on these magnetic particle embedded bone surface mimicked scaffolds in order to observe potential differences in osteoblast behavior. Material characterization for these plain, bone surface mimicked (BSM), magnetic particle embedded PDMS (mpPDMS) membranes were done using Water Contact Angle (WCA) measurements, Vibrating Sample Magnetometry (VSM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM). Cellular behaviour on these membranes were investigated using alamarBlue cell proliferation assay, indirect MTT assay, actin and nuclear fluorescent stainings. Results of these study indicated that the protein modifications and surface topography resulted from bone surface pattern transfer to membrane surfaces have increased osteoblast adhesion and proliferation. Additionally, cell morphologies were natural and consistent with previous findings but further experimentations are required to understand possible effects of embedded magnetic particles (Fe3O4) on mechanotransductive and intracellular signalling pathways.