Mineralizacja enzymatyczna hydrożeli z gumy gellan z wytworzeniem fosforanów wapnia oraz magnezu dla inżynierii tkanki kostnej

Zastosowanie hydrożeli jako skafoldów dla inżynierii tkanki kostnej umożliwia integrację substancji bioaktywnej takiej jak enzym fosfataza alkaliczna (ALP), który sprzyja mineralizacji. W niniejszej pracy, hydrożele z gumy gellan (GG) zawierające ALP poddano mineralizacji z wytworzeniem fosforanów wapnia (CaP) i magnezu (MgP) przez inkubację w płynach mineralizujących zawierających glicerofosforan wapniowy (CaGP) i magnezowy (MgGP). Porównano pięć różnych stosunków stężeń CaGP:MgGP, mianowicie 0.1:0, 0.075:0.025, 0.05:0.05, 0.025:0.075 and 0:0.1 (mol dm-3). Tworzenie CaP i MgP potwierdzono za pomocą FTIR, spektroskopii Ramana, SEM, EDS, IC- P-OES, XRD, TGA oraz poprzez wyznaczanie zmian suchej masy. Stwierdzono, że wapń ulega integracji w fazie mineralnej w znacznie większym stopniu niż magnez. Wzrost ilości magnezu spowodował zmiany w morfologii otrzymanej fazy mineralnej. Badania mechaniczne oraz reometryczne wykazały, że moduł Younga oraz składowa rzeczywista modułu reometrycznego hydrożeli ulegających mineralizacji przy stosunków stężeń CaGP:MgGP 0:0.1 były przynajmniej trzy razy większe w porównaniu do wszystkich innych próbek. Obecność MgP w próbkach zmineralizowanych sprzyjała adhezji oraz żywotności komórek osteoblastycznych MC3T3-E1 i nie wpłynęła negatywnie na ich cytozgodność. Wyniki dowodzą, że można indukować mineralizację hydrożeli z gumy gellan za pomocą CaGP oraz MgGP i tym samym wpływać na skład mineralny oraz właściwości mechaniczne kompozytów hydrożelowych-ceramicznych przez zmodyfikowanie stosunków stężeń CaGP:MgGP.

The use of hydrogels as bone tissue engineering (TE) scaffolds enables incorporation of bioactive substances such as the mineralization-promoting enzyme alkaline phosphatase (ALP). In this study, gellan gum (GG) hydrogels containing ALP were mineralized with calcium phosphate (CaP) and magnesium phosphate (MgP) by incubation in mineralization solutions of calcium and magnesium glycerophosphate (CaGP, MgGP). Five different CaGP:MgGP concentration ratios were compared, namely 0.1:0, 0.075:0.025, 0.05:0.05, 0.025:0.075 and 0:0.1 (all values mol dm-3). CaP and MgP formation was confirmed by FTIR, Raman, SEM, EDS, ICP-OES, XRD, TGA and monitoring dry mass percentage changes. Ca was incorporated into mineral to a greater extent than Mg. Incorporation of increasing amounts of Mg into mineral formed led to changes in mineral deposit morphology. Mechanical and rheometric testing revealed that Young's modulus and storage modulus of hydrogels mineralized at a CaGP:MgGP concentration ratios of 0:0.1 were at least three times higher than those of all other samples. The presence of MgP in mineralized samples promoted attachment and vitality of osteoblastic MC3T3-E1 cells and did not negatively impact cytocompatibility. The results prove the principle of enzymatic mineralization with CaP and MgP and adjusting the composition and mechanical properties of hydrogel-ceramic composites by altering the CaGP:MgGP concentration ratio.