Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering

Bone Tissue Engineering specializes in the development and fabrication of artificial constructs (i.e scaffolds) compatible with the native host tissue, manufactured by a plethora of methods with one of the most prominent being 3D printing. The fabrication of these constructs aims to repair damaged...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Τσελεπίδη, Αθανασία
Άλλοι συγγραφείς: Tselepidi, Athanasia
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16348
id nemertes-10889-16348
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Bone tissue engineering
Scaffold stiffness
PLA scaffolds
Cell functions
Ιστοτεχνολογία οστών
Ακαμψία ικριωμάτων
Ικριώματα PLA
Κυτταρικές λειτουργίες
spellingShingle Bone tissue engineering
Scaffold stiffness
PLA scaffolds
Cell functions
Ιστοτεχνολογία οστών
Ακαμψία ικριωμάτων
Ικριώματα PLA
Κυτταρικές λειτουργίες
Τσελεπίδη, Αθανασία
Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
description Bone Tissue Engineering specializes in the development and fabrication of artificial constructs (i.e scaffolds) compatible with the native host tissue, manufactured by a plethora of methods with one of the most prominent being 3D printing. The fabrication of these constructs aims to repair damaged bone tissue and is mainly focused on the regeneration of trabecular or cancellous bone. The general premise of BTE applications lie on the principle of the tissue engineering triad which states that the developed scaffolds should be biomimetic to the native host bone tissue, exhibit suitable mechanical and physiological properties for cell proliferation and act as porous templates for the incorporation of growth factors that enhance osteogenesis and cells (Mesenchymal stem cells, Osteoblasts, etc.) which will attach and proliferate, ultimately forming new tissue. The main focus of the present thesis is to fabricate scaffold structures with different stiffness and investigate how these two structures respond to conditions that simulate the human body, examine the influence of simulated body fluid (SBF) on their mechanical properties and surface topography as well as their cellular response in vitro. For this reason, two different cubic porous structures were 3D printed, the first with the shape of a grid with orthogonal pores of 500μm and porosity of 70% and the second with gyroid shape, pore size of 500μm and porosity of 83%. The stiffness of the two structures was estimated and they were immersed for 7, 14 and 21 days in total in simulated body fluid. SEM images were then acquired in order to observe the rate of degradation of the scaffolds and compressive mechanical tests were conducted so that we could study the scaffolds’ mechanical properties (modulus of elasticity and compressive strength) and the way they were influenced from the interaction with the sbf. The final step of the experimental part was HAP scaffold surface coating and performance of mice’s osteoblast culture in order to determine which of the two scaffolds would be a more suitable substrate for cell viability and proliferation, regarding bone tissue engineering applications. The results demonstrated that the cubic structure with pore size 500μm and porosity 70% performed better on all conducted experiments relatively to the gyroid. It did not exhibit any significant weight variations regarding its immersion in SBF for a total of 21 days and consequently the findings from its mechanical tests indicated that it had a higher stiffness (213.7MPa) and little deterioration of its modulus of elasticity and compressive strength. On the contrary, the gyroid structure with 500μm pore size and 83% porosity performed poorly on every test. Findings state that this structure had a low stiffness compared to the cubic one (56.1MPa) and exhibited an increasing weight loss during its immersion in SBF, resulting in extensive degradation and deterioration of its mechanical properties. Regarding the performance of cell culture on the scaffolds, the MTT assay test indicated that the cubic scaffold was a more suitable substrate for cell viability and proliferation.
author2 Tselepidi, Athanasia
author_facet Tselepidi, Athanasia
Τσελεπίδη, Αθανασία
author Τσελεπίδη, Αθανασία
author_sort Τσελεπίδη, Αθανασία
title Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
title_short Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
title_full Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
title_fullStr Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
title_full_unstemmed Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
title_sort effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16348
work_keys_str_mv AT tselepidēathanasia effectofscaffoldstiffnessoncellfunctionsforbonetissueengineering
AT tselepidēathanasia epidrasētēsakampsiasikriōmatōnsekyttarikesleitourgiesgiaistotechnologiaostōn
_version_ 1771297156058054656
spelling nemertes-10889-163482022-09-05T05:38:14Z Effect of scaffold stiffness on cell functions for bone tissue engineering Επίδραση της ακαμψίας ικριωμάτων σε κυτταρικές λειτουργίες για ιστοτεχνολογία οστών Τσελεπίδη, Αθανασία Tselepidi, Athanasia Bone tissue engineering Scaffold stiffness PLA scaffolds Cell functions Ιστοτεχνολογία οστών Ακαμψία ικριωμάτων Ικριώματα PLA Κυτταρικές λειτουργίες Bone Tissue Engineering specializes in the development and fabrication of artificial constructs (i.e scaffolds) compatible with the native host tissue, manufactured by a plethora of methods with one of the most prominent being 3D printing. The fabrication of these constructs aims to repair damaged bone tissue and is mainly focused on the regeneration of trabecular or cancellous bone. The general premise of BTE applications lie on the principle of the tissue engineering triad which states that the developed scaffolds should be biomimetic to the native host bone tissue, exhibit suitable mechanical and physiological properties for cell proliferation and act as porous templates for the incorporation of growth factors that enhance osteogenesis and cells (Mesenchymal stem cells, Osteoblasts, etc.) which will attach and proliferate, ultimately forming new tissue. The main focus of the present thesis is to fabricate scaffold structures with different stiffness and investigate how these two structures respond to conditions that simulate the human body, examine the influence of simulated body fluid (SBF) on their mechanical properties and surface topography as well as their cellular response in vitro. For this reason, two different cubic porous structures were 3D printed, the first with the shape of a grid with orthogonal pores of 500μm and porosity of 70% and the second with gyroid shape, pore size of 500μm and porosity of 83%. The stiffness of the two structures was estimated and they were immersed for 7, 14 and 21 days in total in simulated body fluid. SEM images were then acquired in order to observe the rate of degradation of the scaffolds and compressive mechanical tests were conducted so that we could study the scaffolds’ mechanical properties (modulus of elasticity and compressive strength) and the way they were influenced from the interaction with the sbf. The final step of the experimental part was HAP scaffold surface coating and performance of mice’s osteoblast culture in order to determine which of the two scaffolds would be a more suitable substrate for cell viability and proliferation, regarding bone tissue engineering applications. The results demonstrated that the cubic structure with pore size 500μm and porosity 70% performed better on all conducted experiments relatively to the gyroid. It did not exhibit any significant weight variations regarding its immersion in SBF for a total of 21 days and consequently the findings from its mechanical tests indicated that it had a higher stiffness (213.7MPa) and little deterioration of its modulus of elasticity and compressive strength. On the contrary, the gyroid structure with 500μm pore size and 83% porosity performed poorly on every test. Findings state that this structure had a low stiffness compared to the cubic one (56.1MPa) and exhibited an increasing weight loss during its immersion in SBF, resulting in extensive degradation and deterioration of its mechanical properties. Regarding the performance of cell culture on the scaffolds, the MTT assay test indicated that the cubic scaffold was a more suitable substrate for cell viability and proliferation. H ιστοτεχνολογία οστών ασχολείται με την ανάπτυξη και κατασκευή τεχνιτών μικροδομών, τα λεγόμενα ικριώματα, με χρήση διαφόρων ειδών βιοϋλικών τα οποία είναι βιοσυμβατά και δεν επιφέρουν φλεγμονώδεις αντιδράσεις στον οργανισμό. Τα ικριώματα μπορούν να κατασκευαστούν με πολλές μεθόδους, εκ των οποίων μία αρκετά σύγχρονη και διαδεδομένη μέθοδος είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση. Η κατασκευή των ικριωμάτων έχει ως στόχο να βοηθήσει στην ανάπλαση σπασμένων οστών και πιο συγκεκριμένα σε του οστικού ιστού του σπογγώδους οστού. Η γενική ιδέα των εφαρμογών της ιστοτεχνολογίας οστών έγκειται στην αρχή της τριάδας που αναφέρει πως τα κατασκευαζόμενα ικριώματα πρέπει να είναι πορώδεις δομές βιομιμιτικές του οστικού ιστού και να παρουσιάζουν τις κατάλληλες μηχανικές και επιφανειακές ιδιότητες ώστε να επιτυγχάνεται η ενσωμάτωση αυξητικών παραγόντων που ενισχύουν την οστεογένεση καθώς και η προσκόλληση κυττάρων που θα αναπτυχτούν περαιτέρω οδηγώντας στη δημιουργία νέου ιστού. Ο κύριος στόχος της παρούσας δπλωματικής είναι η κατασκευή ικριωμάτων με διαφορετική δυσκαμψία και η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο αυτές οι δύο δομές ανταποκρίνονται σε συνθήκες που προσομοιάζουν το εσωτερικό περιβάλλον του ανθρώπινου σώματος, εξετάζοντας την επίδραση βιολογικού υγρού στις μηχανικές τους ιδιότητες και την τοπογραφία της επιφάνειάς τους καθώς και την κυτταρική τους απόκριση in vitro. Για το λόγο αυτό, εκτυπώθηκαν τρισδιάστατα δύο διαφορετικές κυβικές πορώδεις δομές, η πρώτη με σχήμα πλέγματος με ορθογώνιους πόρους 500μm και πορώδες 70% και η δεύτερη με σχήμα γυροειδούς, μέγεθος πόρων 500μm και πορώδες 83%. Η δυσκαμψία των δύο δομών υπολογίστηκε και βυθίστηκαν για 7, 14 και 21 ημέρες συνολικά σε βιολογικό υγρό. Λήφθησαν εικόνες SEM για να παρατηρηθεί ο τρόπος που έδρασε το βιολογικό υγρό στην επιφάνεια των ικριωμάτων και έγιναν μηχανικές δοκιμές θλίψης ώστε να μπορέσουμε να μελετήσουμε τις μηχανικές ιδιότητες των ικριωμάτων (μέτρο ελαστικότητας και θλιπτική αντοχή) και τον τρόπο με τον οποίο επηρεάστηκαν από την αλληλεπίδρασή τους με το βιολογικό υγρό. Το τελικό στάδιο του πειραματικού μέρους αφορούσε την επιφανειακή επίστρωση των ικριωμάτων με υδροξυαπατίτη και την διεξαγωγή in vitro καλλιέργειας οστεοβλαστών προκειμένου να διαπιστωθεί ποιο από τα δύο ικριώματα θα αποτελούσε καταλληλότερο υπόστρωμα για τη βιωσιμότητα και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων, όσον αφορά τις εφαρμογές ιστοτεχνολογίας οστών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κυβική δομή με μέγεθος πόρων 500μm και πορώδες 70% ανταποκρίθηκε καλύτερα σε όλα τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε σχέση με το γυροειδή. Δεν παρουσίασε σημαντικές μεταβολές βάρους όσον αφορά τη βύθισή της σε βιολογικό υγρό για συνολικά 21 ημέρες ενώ υπολογίστηκε η δυσκαμψία στα 213,7 MPa και οι μηχανικές δοκιμές θλίψης παρουσίασαν μικρή μείωση του συντελεστή ελαστικότητας και της αντοχής. Αντίθετα, η δομή του γυροειδούς ικριώματος με μέγεθος πόρων 500μm και πορώδες 83% απέδωσε χειρότερα αποτελέσματα. Η δομή είχε μικρότερη δυσκαμψία σε σύγκριση με την κυβική (56,1 MPa) και παρουσίασε αυξανόμενη απώλεια βάρους κατά την παραμονή της στο βιολογικό υγρό με αποτέλεσμα την εκτεταμένη υποβάθμιση των μηχανικών της ιδιοτήτων. Όσον αφορά την απόδοση της κυτταρικής καλλιέργειας στα ικριώματα, ο προσδιορισμός ΜΤΤ έδειξε ότι το πρώτο κυβικό ικρίωμα ήταν το πιο κατάλληλο υπόστρωμα για τη βιωσιμότητα και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων 2022-07-01T10:11:03Z 2022-07-01T10:11:03Z 2022-07-01 http://hdl.handle.net/10889/16348 en application/pdf