3D-printed oxygen-releasing scaffolds improve bone regeneration in mice

材料科学 生物医学工程 再生(生物学) 组织工程 细胞外基质 脚手架 化学 细胞生物学 生物化学 医学 生物
作者
Ashley L. Farris,Dennis Lambrechts,Yuxiao Zhou,Nicholas Zhang,Naboneeta Sarkar,Megan C. Moorer,Alexandra N. Rindone,Ethan L. Nyberg,Alexander Perdomo‐Pantoja,S.J. Burris,Kendall Free,Timothy F. Witham,Ryan C. Riddle,Warren L. Grayson
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier BV]
卷期号:280: 121318-121318 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.121318
摘要

Low oxygen (O2) diffusion into large tissue engineered scaffolds hinders the therapeutic efficacy of transplanted cells. To overcome this, we previously studied hollow, hyperbarically-loaded microtanks (μtanks) to serve as O2 reservoirs. To adapt these for bone regeneration, we fabricated biodegradable μtanks from polyvinyl alcohol and poly (lactic-co-glycolic acid) and embedded them to form 3D-printed, porous poly-ε-caprolactone (PCL)-μtank scaffolds. PCL-μtank scaffolds were loaded with pure O2 at 300-500 psi. When placed at atmospheric pressures, the scaffolds released O2 over a period of up to 8 h. We confirmed the inhibitory effects of hypoxia on the osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells (hASCs and we validated that μtank-mediated transient hyperoxia had no toxic impacts on hASCs, possibly due to upregulation of endogenous antioxidant regulator genes. We assessed bone regeneration in vivo by implanting O2-loaded, hASC-seeded, PCL-μtank scaffolds into murine calvarial defects (4 mm diameters × 0.6 mm height) and subcutaneously (4 mm diameter × 8 mm height). In both cases we observed increased deposition of extracellular matrix in the O2 delivery group along with greater osteopontin coverages and higher mineral deposition. This study provides evidence that even short-term O2 delivery from PCL-μtank scaffolds may enhance hASC-mediated bone tissue regeneration.
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