Sähköaktiivisen polymeerin vaikutus aikuisen kantasoluihin ja luun uudismuodostumiseen

Väitöskirja tarkastettiin 7.1.2015 Tampereen yliopistossa

The effects of electro-active polypyrrole on the osteogenic differentiation of adipose stem cells and bone regeneration

Vastaväittäjä: Mario Romero-Ortega, apulaisprofessori, University of Texas, Dallas, Yhdysvallat

Kustos: Suvi Haimi, dosentti, Tampereen yliopisto

Esitarkastajat: Joselito Razal, apulaisprofessori, Deakin University, Australia, Reijo Lappalainen, professori, Itä-Suomen yliopisto

Ohjaajat: Suvi Haimi, dosentti, Tampereen yliopisto, Susanna Miettinen, dosentti, Tampereen yliopisto

Luun kudosteknologisina tukirakenteina käytetyt laktidipohjaiset polymeerit eivät ole bioaktiivisia ja lisäksi niiden hydrofobisuus haittaa solujen ja kudoksen kiinnittymistä materiaalin pintaan. Polypyrroli (PPy) -pinnoitus on potentiaalinen menetelmä edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi, koska sillä on edulliset pintaominaisuudet solujen kiinnittymiselle ja lisäksi siihen voidaan sisällyttää erilaisia bioaktiivisia molekyylejä. PPy on myös sähköaktiivinen, minkä vuoksi sen käyttö sähkövirtaa välittävänä biomateriaalina avaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia osteogeenisten solujen stimuloinnissa. PPy:n on todettu olevan potentiaalinen substraatti osteogeenisille soluille, kuten mesenkymaalisille kantasoluille mutta sitä ei ole kuitenkaan vielä tutkittu PPy:n ja sähköstimulaation yhdistelmässä.

Tässä työssä arvioitiin PPy:n mahdollisuudet ihmisen rasvan kantasolujen substraattina sekä sähköstimulaation johtimena luun kudosteknologiassa in vitro ja sekä luun uudismuodostumista edistävänä implantin pinnoitemateriaalina in vivo.

In vitro -tutkimuksen perusteella sähkökemiallisesti valmistettu ja kondroitiinisulfaattiseostettu PPy-filmi (PPy-CS) tuki rasvan kantasolujen hyvää morfologiaa ja tasaista levittäytymistä, toisin kuin vastaava hyalurinohapposeostettu PPy-filmi (PPy-HA), joka aiheutti solujen irtoamisen pinnasta. Lisäksi solun ulkoisen tilan mineralisaatio oli merkittävästi suurempaa sähköstimuloiduissa PPy-CS-pinnoitteen päällä olevissa soluissa verrattuna vastaavassa ryhmässä olevaan PPy-HA-pinnoitteeseen. Kun PPy valmistettiin kemiallisesti kondroitiinisulfaatin läsnäollessa ja sen ominaisuuksia tutkittiin sähköäjohtavana pinnoitteena polylaktidista valmistetuissa kuiturakenteissa, ihmisen rasvan kantasolujen proliferaatio oli merkittävästi suurempaa PPy-pinnoitetuissa polylaktidikuiturakenteissa verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin rakenteisiin.

In vivo -tutkimus tehtiin kanimallissa, jossa PPy-CS-pinnoitetut sekä pinnoittamattomat bioabsorboivat ruuvit implantoitiin kanin tibiaan ja femuriin. Kovakudoshistologian, digitaalisen röntgenkuvauksen ja tetrasykliinileimauksen perusteella PPy-pinnoitetut biohajoavat ruuvit edistivät merkittävästi uudisluun muodostusta verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin ruuveihin. Lisäksi mitään merkkejä akuuttisesta, systemaattisesta tai kroonisesta toksisuudesta ei havaittu yhdessäkään kanissa.

Tutkimuksen johtopäätös on, että kondroitiinisulfaattia sisältävä PPy- pinnoite osoittautui sopivaksi substraatiksi ihmisen rasvan kantasoluille solujen morphologian, proliferaation ja luuerilaistumisen perusteella. Tämä osoittaa PPy:n suuren potentiaalin luun kudosteknologiassa. PPy-pinnoite todettiin myös potentiaaliseksi luuimplanttien pinnoitemateriaaliksi bioabsorboivissa ruuveissa edistäen merkittävästi luun uudismuodostusta in vivo.

Väitöstutkimus toteutettiin BioMediTech-instituutissa. Väitöskirja kuuluu kudosteknologiatutkimuksen alaan.

Verkkojulkaisun osoite: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-44-9671-4