Macropore design of tissue engineering scaffolds regulates mesenchymal stem cell differentiation fate

间充质干细胞 细胞生物学 组织工程 干细胞 细胞外基质 脚手架 细胞命运测定 材料科学 生物医学工程 细胞分化 生物 医学 生物化学 转录因子 基因
作者
W. Benton Swanson,Maiko Omi,Zhen Zhang,Hwa Kyung Nam,Younghun Jung,Gefei Wang,X. Peter,Nan Hatch,Yuji Mishina
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier]
卷期号:272: 120769-120769 被引量:36
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.120769
摘要

Craniosynostosis is a debilitating birth defect characterized by the premature fusion of cranial bones resulting from premature loss of stem cells located in suture tissue between growing bones. Mesenchymal stromal cells in long bone and the cranial suture are known to be multipotent cell sources in the appendicular skeleton and cranium, respectively. We are developing biomaterial constructs to maintain stemness of the cranial suture cell population towards an ultimate goal of diminishing craniosynostosis patient morbidity. Recent evidence suggests that physical features of synthetic tissue engineering scaffolds modulate cell and tissue fate. In this study, macroporous tissue engineering scaffolds with well-controlled spherical pores were fabricated by a sugar porogen template method. Cell-scaffold constructs were implanted subcutaneously in mice for up to eight weeks then assayed for mineralization, vascularization, extracellular matrix composition, and gene expression. Pore size differentially regulates cell fate, where sufficiently large pores provide an osteogenic niche adequate for bone formation, while sufficiently small pores (<125 μm in diameter) maintain stemness and prevent differentiation. Cell-scaffold constructs cultured in vitro followed the same pore size-controlled differentiation fate. We therefore attribute the differential cell and tissue fate to scaffold pore geometry. Scaffold pore size regulates mesenchymal cell fate, providing a novel design motif to control tissue regenerative processes and develop mesenchymal stem cell niches in vivo and in vitro through biophysical features.
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