Development and characterization of biomimetic peptide-based bioink for dental tissue engineering

Abstract

Recently, the role of molecular control in the tooth mineralization process has received much attention. Biomimetic scaffolds have been started to use in dental tissue engineering and regeneration due to their high applicability, biocompatibility, biodegradability, and mineralization capability. In this thesis, a hybrid biomimetic bio-ink; P11-4 peptide-based Quince Seed Hydrogel (QSH)/Gelatin (Gel) is used in 3D cell culture studies for dental tissue engineering applications. Pristine QSH, QSH/Gel, and P11-4/QSH/Gel bio-inks were characterized by FTIR and viscosity analysis, and their 3D bioprinting parameters were optimized. Hydrogels were crosslinked via 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) Carbodiimide (EDC)/N-Hydroxysuccinimide (NHS) coupling reaction and various hydrogel concentrations were investigated for scaffold fabrication. Characterization of produced scaffolds was performed by SEM imaging, mechanical testing, protein adsorption, and swelling analyses. As a result, the mechanical strength, viscosity, swelling properties, and surface characteristics of the biomaterial were evaluated. SaOS-2 human osteosarcoma cell line was used for 3D bioprinting studies. Cell viability analyses were performed via Live/Dead and MTT assays. Mineralization was investigated and assay was carried out with Alizarin Red Staining. According to obtained results, P11-4/QSH/Gel scaffolds provide high cell viability and proliferation rate compared to pristine QSH and QSH/Gel control groups. Also, with the addition of P11-4 to QSH/Gel, a certain amount of increase in mineralization was observed after day 7 on long-term cultured scaffolds. As a result of this study, it was concluded that P11-4-based QSH/Gel has a high potential to be used as a bio-ink in the production of 3D scaffolds for dental tissue engineering applications.

Son zamanlarda, diş mineralizasyon sürecinde moleküler kontrolün rolüne dikkat çekilmektedir. Biyomimetik yapı iskeleleri, yüksek uygulanabilirliği, biyouyumluluğu, biyobozunurluğu ve mineral oluşturma kabiliyeti nedeniyle diş doku mühendisliği ve rejenerasyonunda kullanılmaya başlanmıştır. Bu tezde, hibrit bir biyomimetik biyo-mürekkep; P11-4 peptit bazlı Ayva Çekirdeği Hidrojeli (QSH)/Jelatin (Gel), diş doku mühendisliği uygulamaları için 3-boyutlu hücre kültürü çalışmalarında kullanılmaktadır. Saf QSH, QSH/Gel ve P11-4/QSH/Gel biyo-mürekkepleri, FTIR ve viskozite analizi ile karakterize edilerek 3B biyobaskı parametreleri optimize edildi. Hidrojeller, 1-Etil-3-(3-dimetilaminopropil) Karbodiimid (EDC)/N-Hidroksisüksinimit (NHS) reaksiyonuyla çapraz bağlandı ve doku iskelesi üretimi için çeşitli hidrojel konsantrasyonları araştırıldı. Üretilen doku iskelelerinin karakterizasyonu, SEM görüntülemesi, mekanik test, protein adsorpsiyonu ve su tutma analizleri ile gerçekleştirildi. Sonuç olarak, biyomalzemenin mekanik mukavemeti, viskozitesi, şişme özellikleri ve yüzey özellikleri değerlendirildi. 3B biyobaskı çalışmaları için SaOS-2 insan osteosarkom hücre hattı kullanıldı. Canlı/Ölü ve MTT deneyleri aracılığıyla hücre canlılığı analizleri yapıldı. Hücresel ve hücre dışı bileşenler; DAPI, Aktin ve Kolajen Tip I immün boyamaları ile analiz edildi. Mineralizasyon araştırıldı ve Alizarin Red Staining ile mineralizasyon görüntülemesi yapıldı. Elde edilen sonuçlara göre P11-4/QSH/Gel doku iskeleleri, saf QSH ve QSH/Gel kontrol gruplarına göre yüksek hücre canlılığı ve çoğalma oranı sağlamıştır. Ayrıca, QSH/Gel'e P11-4 eklenmesiyle, uzun süreli hücre kültüründe 7. günden sonra mineralizasyonda belirli bir miktar artış gözlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda, P11-4/QSH/Gel'in dental doku mühendisliği uygulamaları için 3B yapı iskelelerinin üretiminde biyo-mürekkep olarak kullanılma potansiyelinin yüksek olduğu sonucuna varılmıştır.