Influenza della concentrazione del rivestimento in poli(glicerolo sebacato) sulle relazioni tra struttura, proprietà e bioattività di scaffold in vetro bioattivo 45S5 ottenuti mediante la tecnica di replica della schiuma

Abstract The polymer foam replication method was used for the fabrication of 3D 45S5 bioactive glass scaffolds with interconnected macroporosity for osteoconduction and vascularization. However, the brittleness of these scaffolds is very high due to the presence of hollow strut defects formed during the polymer burnout process, limiting their clinical application (Chen et al., 2006). In this study, the structural, mechanical, and biological effects of using the biodegradable elastomer poly (glycerol sebacate) (PGS) from endogenous monomers (Rosalia et al., 2024; Wang et al., 2002) as a reinforcing surface coating at different concentrations (0, 2.5, 5, 10, 15 and 20% w/v) were investigated. The sintered glass-ceramic scaffolds exhibited an open porosity of 94.72 ± 0.53% with interconnected pores in the range of 300 to 500 microns, which meets the criteria for mass transport in bone defect repair. Compressive strength showed a biphasic trend with a peak at 10% w/v PGS (0.0541 ± 0.0202 MPa), which was 12.5 times higher than that of uncoated controls (0.0043 ± 0.0010 MPa, p < 0.001) through elastomeric crack-bridging without significantly affecting the stiffness of the scaffold (p = 0.096). The PGS deposition altered surface wettability from 41.53° to 75.96° static contact angles and demonstrated an inverse linear relationship with mass loss on Day 7 in phosphate buffered saline (R² 0.95 for 2.5% to 15% w/v), thereby controlling medium alkalinization. The polymeric layer showed a concentration dependent delay in the nucleation of hydroxycarbonate apatite in simulated body fluid, indicating a sequential degradation process in which structural safeguarding precedes interfacial biomineralization (Lin et al., 2015). Serum-treated glass allowed initial MG63 osteoblast adhesion, and unconditioned PGS coatings were limited in this regard because of the hydrophobic properties of the surface and the delayed mineral signals (Bacakova et al., 2011; Gómez-Cerezo et al., 2020). The 10% w/v formulation is the best compromise between mechanical stability and control of degradation and bioactivity for the regeneration of cancellous bone tissue. Keywords: Bioactive glass 45S5; Poly (glycerol sebacate); Foam replica; Scaffold improvement; Bone tissue regeneration; Biomineralization.

Il metodo di replica della schiuma polimerica è stato utilizzato per fabbricare scaffold tridimensionali in vetro bioattivo 45S5 con macroporosità interconnessa, atta a favorire l’osteoconduzione e la vascolarizzazione. Tuttavia, questi scaffold presentano un’elevata fragilità dovuta alla presenza di cavità all’interno delle trabecole, generate durante la rimozione termica della schiuma polimerica, che ne limitano l’applicazione clinica (Chen et al., 2006). In questo studio sono stati valutati gli effetti strutturali, meccanici e biologici dell’impiego dell’elastomero biodegradabile poli(glicerolo sebacato) (PGS), ottenuto da monomeri endogeni (Rosalia et al., 2024; Wang et al., 2002), come rivestimento superficiale di rinforzo a diverse concentrazioni (0; 2,5; 5; 10; 15 e 20% p/v). Gli scaffold vetroceramici sinterizzati hanno mostrato una porosità aperta del 94,72 ± 0,53%, con pori interconnessi di dimensioni comprese tra 300 e 500 μm, soddisfacendo i requisiti di trasporto di massa per la riparazione dei difetti ossei. La resistenza a compressione ha evidenziato un andamento bifasico, raggiungendo un valore massimo alla concentrazione di PGS del 10% p/v (0,0541 ± 0,0202 MPa), pari a 12,5 volte quello dei controlli non rivestiti (0,0043 ± 0,0010 MPa; p < 0,001). Tale incremento è stato ottenuto grazie alla formazione di ponti elastomerici tra le superfici delle cricche, senza modificare significativamente la rigidezza dello scaffold (p = 0,096). La deposizione di PGS ha modificato la bagnabilità superficiale, aumentando l’angolo di contatto statico da 41,53° a 75,96°. È stata inoltre osservata una relazione lineare inversa tra la concentrazione di PGS e la perdita di massa al settimo giorno di immersione in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS), con R² = 0,95 nell’intervallo di concentrazione compreso tra 2,5 e 15% p/v, consentendo così di controllare l’alcalinizzazione del mezzo. Lo strato polimerico ha determinato un ritardo nella nucleazione dell’idrossiapatite carbonata in fluido corporeo simulato (SBF), dipendente dalla concentrazione, indicando un processo di degradazione sequenziale nel quale la protezione strutturale precede la biomineralizzazione interfacciale (Lin et al., 2015). Il vetro trattato con siero ha consentito l’adesione iniziale delle cellule osteoblastiche MG63, mentre i rivestimenti in PGS non precondizionati hanno mostrato una capacità limitata di favorire tale adesione, a causa delle proprietà idrofobiche della superficie e della comparsa ritardata dei segnali minerali (Bacakova et al., 2011; Gómez-Cerezo et al., 2020). La formulazione al 10% p/v rappresenta il miglior compromesso tra stabilità meccanica, controllo della degradazione e bioattività per la rigenerazione del tessuto osseo spongioso. Parole chiave: Vetro bioattivo 45S5; Poli(glicerolo sebacato); Replica della schiuma; Miglioramento degli scaffold; Rigenerazione del tessuto osseo; Biomineralizzazione.