Fabrication of novel Si-doped hydroxyapatite/gelatine scaffolds by rapid prototyping for drug delivery and bone regeneration

Abstract

Los armazones 3D porosos que consisten en gelatina e hidroxiapatita dopada con Si se fabricaron a temperatura ambiente mediante la creación rápida de prototipos. La caracterización microscópica reveló una estructura altamente homogénea, mostrando la porosidad prediseñada (macroporosidad) y una menor porosidad dentro de la varilla (microporosidad). Las propiedades mecánicas de tales estructuras son cercanas a las del hueso trabecular de la misma densidad. El comportamiento biológico de estos armazones híbridos es mayor que el de los armazones cerámicos puros sin gelatina, aumentando la diferenciación celular preosteoblástica de MC3T3-E1 (mineralización de la matriz y expresión génica). Dado que el proceso de fabricación de estas estructuras se llevó a cabo en condiciones suaves, se incorporó un antibiótico (vancomicina) a la suspensión antes de la extrusión de las estructuras. El perfil de liberación de este antibiótico se midió en solución salina tamponada con fosfato mediante cromatografía líquida de alta resolución y se ajustó a una cinética de liberación de primer orden. También se demostró que la vancomicina liberada del material inhibe el crecimiento bacteriano in vitro. Se discuten las implicaciones de estos resultados para las aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos.

Porous 3-D scaffolds consisting of gelatine and Si-doped hydroxyapatite were fabricated at room temperature by rapid prototyping. Microscopic characterization revealed a highly homogeneous structure, showing the pre-designed porosity (macroporosity) and a lesser in-rod porosity (microporosity). The mechanical properties of such scaffolds are close to those of trabecular bone of the same density. The biological behavior of these hybrid scaffolds is greater than that of pure ceramic scaffolds without gelatine, increasing pre-osteoblastic MC3T3-E1 cell differentiation (matrix mineralization and gene expression). Since the fabrication process of these structures was carried out at mild conditions, an antibiotic (vancomycin) was incorporated in the slurry before the extrusion of the structures. The release profile of this antibiotic was measured in phosphate-buffered saline solution by high-performance liquid chromatography and was adjusted to a first-order release kinetics. Vancomycin released from the material was also shown to inhibit bacterial growth in vitro. The implications of these results for bone tissue engineering applications are discussed.