The use of alendronate (ALN), a drug for the osteoporosis treatment, causes numerous side effects, mainly related to the oral route of administration. Therefore, an attempt was made to develop a novel photocrosslinked hybrid material, consisting of a bioactive carrier, dispersed in a biopolymer hydrogel matrix, which would enable local action of the drug and also support the process of bone tissue regeneration. In the first stage of the research, mesoporous silica particles functionalized with methacrylic groups (MSP-MA) were obtained and characterized. It was established that the total surface area (SBET) of obtained particles is equal to 801m^2/g and a homogeneous pore distribution with a diameter less than 3nm was revealed. Subsequently, the process of decorating with hydroxyapatite was carried out in modified simulated body fluid (1.5xSBF). The formation of this bone mineral on the surface of MSP-MA particles was confirmed by SEM, EDS, XRD techniques after 5 days of incubation in 1,5xSBF. The successful decoration process enabled the loading of alendronate at the level of about 4%. The MSP-MA-HAp/ALN particles obtained in this way were then dispersed in a polymer sol consisting of methacrylated biopolymers: gelatin (Gel-MA), chitosan (Chit-MA) and chondroitin sulfate (CS-MA) and subjected to photocrosslinking with UV-B radiation in the presence of a photoinitiator. The composition of the polymer matrix has been previously optimized; hydrogel systems differing in mass ratio, Chit-MA, Gel-MA, CS-MA were tested. The prepared systems were characterized in terms of physicochemical and biological properties. Due to the highest stability under in vivo simulating conditions, a system with a mass composition of Chit-MA:Gel-MA:CS-MA equal to 5:3:2 was chosen as the hydrogel matrix. Three hybrid systems prepared by introducing MSP-MA-HAp/ALN particles into the hydrogel in three different concentrations (Hyb0.5, Hyb1.25, Hyb2.5) were obtained. Based on in vitro studies on MG-63 and J7741.A cell lines it was demonstrated that the system with the lowest concentration of particles (Hyb0.5) supporting the proliferation of MG-63 cells and showing a therapeutic effect simultaneously. In addition, the study of ALN release from MSP-MA-HAp/ALN particles and hybrid material confirmed that placing particles in the matrix significantly reduces the burst effect. Within 48 hours of the experiment, about 85% of the loaded drug was released from the particles, while only 41% from the hybrid system. Overall, it was shown that the designed new photocrosslinked hybrids are promising materials for use in bone tissue engineering, in particular as a systems supporting the treatment of osteoporotic defects.
Stosowanie alendronianu (ALN), leku wykorzystywanego w leczeniu osteoporozy, powoduje liczne działania niepożądane, związane głównie z doustną drogą podania. W związku z tym podjęto próbę opracowania fotosieciowanego materiału hybrydowego, składającego się z bioaktywnego nośnika, rozproszonego w biopolimerowej matrycy hydrożelowej, który umożliwiłby miejscowe działanie farmaceutyku, a także wspomagał proces regeneracji tkanki kostnej. W pierwszym etapie badań otrzymano sfunkcjonalizowane grupami metakrylowymi cząstki mezoporowatej krzemionki (MSP-MA), które charakteryzowały się znaczną powierzchnią całkowitą (SBET) równą 801m^2/g i jednorodnym rozkładem porów o średnicy mniejszej niż 3nm. Następnie przeprowadzono proces dekoracji cząstek hydroksyapatytem wykorzystując w tym celu biomineralizację w warunkach symulujących ludzkie osocze (1,5xSBF). Utworzenie minerału kostnego na powierzchni cząstek MSP-MA potwierdzono technikami SEM, EDS, XRD już po 5 dniach inkubacji w SBF. Pozytywnie przeprowadzony proces dekoracji umożliwił załadunek alendronianu na poziomie około 4%. Tak otrzymane cząstki MSP-MA-HAp/ALN rozproszono następnie w zolu polimerowym składającym się z metakrylowanych biopolimerów: żelatyny (Gel-MA), chitozanu (Chit-MA) i siarczanu chondroityny (CS-MA) i poddano fotosieciowaniu promieniowaniem UV-B w obecności fotoinicjatora. Skład matrycy polimerowej został uprzednio zoptymalizowany; testowano układy hydrożelowe różniące się stosunkiem masowym, Chit-MA, Gel-MA, CS-MA. Przygotowane układy scharakteryzowano pod kątem właściwości fizykochemicznych i biologicznych. Ze względu na największą stabilność w warunkach zbliżonych do in vivo, jako matrycę hydrożelową wybrano układ o składzie masowym Chit-MA:Gel-MA:CS-MA równym 5:3:2. Otrzymano trzy układy hybrydowe przygotowane poprzez wprowadzenie do hydrożelu cząstek MSP-MA-HAp/ALN w trzech różnych stężeniach (Hyb0.5, Hyb1.25, Hyb2.5). Na podstawie badań in vitro na liniach komórkowych MG-63 oraz J7741.A wykazano, iż układem zarówno sprzyjającym proliferacji komórek MG-63 oraz wykazującym efekt terapeutyczny, jest układ o najniższym stężeniu cząstek (Hyb0.5). Dodatkowo przeprowadzone badanie kinetyki uwalniania ALN z cząstek MSP-MA-HAp/ALN oraz materiału hybrydowego, potwierdziło, iż umieszczenie cząstek w matrycy w znacznym stopniu zmniejsza efekt wyrzutu (z ang. „burst effect”). W ciągu 48h eksperymentu z cząstek uwolniło się około 85% załadowanego leku, natomiast z układu hybrydowego jedynie 41%. Tym samym wykazano, iż zaprojektowany nowy fotosieciowany system hybrydowy jest obiecującym materiałem do wykorzystania w inżynierii tkankowej kości w szczególności jako system wspomagający leczenie ubytków o podłożu osteoporotycznym.
