Boosting Guided Bone Regeneration: Engineered Chitosan Coated Barrier Membranes

According to World Health Organization, more than 3.5 billion people suffer from oral health problems. Dental implantology is the most common method to replace missing teeth, but the insertion of screws damages the alveolar bone tissue, which needs to regenerate in all directions after the procedure to ensure implant stability. It is crucial to limit the vertical loss of alveolar bone tissue following tooth removal or loss, even in the absence of dental implantology. Guided Bone Regeneration (GBR) is the most widespread method for promoting bone growth in localized alveolar defects and implant sites. This technique involves the use of barrier membranes that prevent unwanted cells from accessing the wound, allowing only angiogenic cells and osteoprogenitor cells to populate the area. These membranes can be used as coatings for dental implants or as bone substitutes, or they can be independently employed for bone regeneration or to limit vertical loss of alveolar bone tissue. OsseoGuard® membranes (Biomax Spa, Vicenza, Italy) are made of highly purified type I collagen extracted from bovine Achilles tendons and cross-linked with formaldehyde. However, these membranes are limited because they do not promote satisfactory growth of alveolar bone tissue in the vertical direction. To overcome this limitation, a new protocol for functionalizing these membranes has been developed using 1,4-Butanediol diglycidyl ether (BBDGE) to covalently bind chitosan and chitosan engineered with the GBMP1α peptide. Chitosan is a biomaterial that induces adhesion, proliferation, and differentiation of osteoblasts on its own, while GBMP1α is a peptide mapped on BMP-2 that promotes osteoblast proliferation and differentiation of stem cells into the osteoblastic phenotype. Membranes functionalized with this new protocol were subjected to a proliferation assay with human osteoblasts and an assay to evaluate their antibacterial properties. The results were compared with those obtained in another project that utilized a different functionalization protocol to choose the best one. Additionally, mechanical tensile tests, FT-IR analysis, platelet adhesion assays, and thrombin generation assays were performed. FT-IR analysis confirmed the successful functionalization with chitosan and chit+GBMP1α. The biological assays provided excellent results when comparing the functionalized membranes with the untreated OsseoGuard® membrane (especially in the case of chit+GBMP1α), and the mechanical tests confirmed that the functionalization treatments do not significantly alter the mechanical properties of the membranes. Lastly, hemodynamic tests confirmed the interaction properties of collagen with blood and provided preliminary results on the platelet activation and thrombin generation properties of the functionalized samples.

Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, più di 3,5 miliardi di persone soffrono di problemi del cavo orale. L'implantologia dentale è il metodo più comunemente utilizzato per sostituire i denti mancanti, ma l'inserimento delle viti danneggia il tessuto osseo alveolare, che deve rigenerarsi in tutte le direzioni dopo l'intervento per garantire stabilità all'impianto. È fondamentale limitare la perdita verticale di tessuto osseo alveolare a seguito della rimozione o della perdita dei denti, anche in assenza di implantologia dentale. La rigenerazione ossea guidata (GBR) è il metodo più impiegato per promuovere la crescita ossea nei difetti alveolari localizzati e nei siti di impianto. Questa tecnica prevede l'utilizzo di membrane barriera che impediscono alle cellule indesiderate di accedere alla ferita, consentendo solo alle cellule angiogeniche e alle cellule progenitrici ossee di colonizzare l'area. Queste membrane possono essere utilizzate come rivestimento per gli impianti dentali o come sostituti ossei, oppure possono essere impiegate indipendentemente per la rigenerazione ossea o per limitare la perdita verticale di tessuto osseo alveolare. Le membrane OsseoGuard® (Biomax Spa, Vicenza, Italia) sono realizzate in collagene di tipo I ad alto grado di purezza, estratto dai tendini di Achille bovini e reticolate con formaldeide. Tuttavia, presentano quale limite una mancata crescita soddisfacente del tessuto osseo alveolare nella direzione verticale. Per superare questa limitazione, è stato sviluppato un nuovo protocollo di funzionalizzazione di queste membrane usando 1,4-Butanediol diglycidyl ether (BBDGE) per legare covalentemente chitosano e chitosano funzionalizzato con il peptide GBMP1α. Il chitosano è un materiale che induce di per sé adesione, proliferazione e differenziazione degli osteoblasti, mentre il GBMP1α è un peptide derivato dalla BMP-2 che promuove la proliferazione degli osteoblasti e la differenziazione delle cellule staminali verso il fenotipo osteoblastico. Le membrane funzionalizzate con questo nuovo protocollo sono state sottoposte ad un saggio di proliferazione con osteoblasti umani prelevati dall'osso mandibolare e ad un saggio per valutarne le proprietà antibatteriche. I risultati di questi due saggi sono stati comparati con quelli ottenuti in un altro progetto e funzionalizzati secondo un altro protocollo in modo da scegliere il migliore. Sono stati inoltre effettuati test meccanici di trazione, analisi FT-IR, e saggi di adesione piastrinica e generazione di trombina. L’analisi FT-IR ha confermato l’avvenuta funzionalizzazione con chitosano e chit+GBMP1α. I saggi biologici hanno fornito risultati eccellenti confrontando le membrane funzionalizzate con la membrana OsseoGuard® non trattata (soprattutto nel caso di chit+GBMP1α), e i test meccanici hanno confermato che i trattamenti di funzionalizzazione non alterano significativamente le proprietà meccaniche delle membrane. I test emodinamici hanno confermato le proprietà di interazione del collagene con il sangue e hanno fornito risultati preliminari sulle proprietà di attivazione piastrinica e generazione di trombina delle matrici funzionalizzate.