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In vitro bioprinted 3D model enhancing osteoblast-to-osteocyte differentiation

成骨细胞 自愈水凝胶 材料科学 骨细胞 碱性磷酸酶 明胶 生物医学工程 体外 刚度 弹性模量 生物物理学 化学 复合材料 生物化学 生物 医学 高分子化学
作者
Emma Petiot,Pragnere Sarah,Essayan Lucie,El-Kholti Naima,Emma Petiot,Paillet-Mattei Cyril
出处
期刊:Biofabrication [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1758-5090/ad8ca6
摘要

Abstract In vitro bone models are pivotal for understanding tissue behavior and cellular responses, particularly in unravelling certain pathologies' mechanisms and assessing the impact of new therapeutic interventions. A desirable in vitro bone model should incorporate primary human cells within a 3D environment that mimics the mechanical properties characteristics of osteoid and faithfully replicate all stages of osteogenic differentiation from osteoblasts to osteocytes. However, to date, no bio-printed model using primary osteoblasts has demonstrated the expression of osteocytic protein markers. This study aimed to develop bio-printed in vitro model that accurately captures the differentiation process of human primary osteoblasts into osteocytes. Given the considerable impact of hydrogel stiffness and relaxation behavior on osteoblast activity, we employed three distinct cross-linking solutions to fabricate hydrogels. These hydrogels were designed to exhibit either similar elastic behavior with different elastic moduli, or similar elastic moduli with varying relaxation behavior. These hydrogels, composed of gelatin (5% w/v), alginate (1%w/v) and fibrinogen (2%w/v), were designed to be compatible with micro-extrusion bioprinting and proliferative. The modulation of their biomechanical properties, including stiffness and viscoelastic behavior, was achieved by applying various concentrations of cross-linkers targeting both gelatin covalent bonding (transglutaminase) and alginate chains’ ionic cross-linking (calcium). Among the conditions tested, the hydrogel with a low elastic modulus of 8 kPa and a viscoelastic behavior over time exhibited promising outcomes regarding osteoblast-to-osteocyte differentiation. The cessation of cell proliferation coincided with a significant increase in alkaline phosphatase (ALP) activity, the development of dendrites, and the expression of the osteocyte marker PHEX. Within this hydrogel, cells actively influenced their environment, as evidenced by hydrogel contraction and the secretion of collagen I. This bio-printed model, demonstrating primary human osteoblasts expressing an osteocyte-specific protein, marks a significant achievement. We envision its substantial utility in advancing research on bone pathologies, including osteoporosis and bone tumors.

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