A Novel Injectable Piezoelectric Hydrogel for Periodontal Disease Treatment.
Fecha
2023
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
Periodontal disease is a multifactorial, bacterially induced inflammatory condition characterized by the progressive destruction of periodontal tissues. The successful nonsurgical treatment of periodontitis requires multifunctional technologies offering antibacterial therapies and promotion of bone regeneration simultaneously. For the first time, in this study, an injectable piezoelectric hydrogel (PiezoGEL) was developed after combining gelatin methacryloyl (GelMA) with biocompatible piezoelectric fillers of barium titanate (BTO) that produce electrical charges when stimulated by biomechanical vibrations (e.g., mastication, movements). We harnessed the benefits of hydrogels (injectable, light curable, conforms to pocket spaces, biocompatible) with the bioactive effects of piezoelectric charges. A thorough biomaterial characterization confirmed piezoelectric fillers' successful integration with the hydrogel, photopolymerizability, injectability for clinical use, and electrical charge generation to enable bioactive effects (antibacterial and bone tissue regeneration). PiezoGEL showed significant reductions in pathogenic biofilm biomass (∼41%), metabolic activity (∼75%), and the number of viable cells (∼2-3 log) compared to hydrogels without BTO fillers in vitro. Molecular analysis related the antibacterial effects to be associated with reduced cell adhesion (downregulation of porP and fimA) and increased oxidative stress (upregulation of oxyR) genes. Moreover, PiezoGEL significantly enhanced bone marrow stem cell (BMSC) viability and osteogenic differentiation by upregulating RUNX2, COL1A1, and ALP. In vivo, PiezoGEL effectively reduced periodontal inflammation and increased bone tissue regeneration compared to control groups in a mice model. Findings from this study suggest PiezoGEL to be a promising and novel therapeutic candidate for the treatment of periodontal disease nonsurgically.
Descripción
La enfermedad periodontal es una condición inflamatoria inducida por bacterias, multifactorial, caracterizada por la destrucción progresiva de los tejidos periodontales. El exitoso tratamiento no quirúrgico de la periodontitis requiere tecnologías multifuncionales que ofrezcan terapias antibacterianas y promoción de la regeneración ósea de manera simultánea. En este estudio, se desarrolló por primera vez un hidrogel piezoeléctrico inyectable (PiezoGEL) después de combinar gelatina metacrilato (GelMA) con cargas piezoeléctricas biocompatibles de titanato de bario (BTO) que generan cargas eléctricas cuando son estimuladas por vibraciones biomecánicas (por ejemplo, masticación, movimientos). Aprovechamos los beneficios de los hidrogeles (inyectables, fotoendurecibles, se adaptan a los espacios de bolsillo, biocompatibles) con los efectos bioactivos de las cargas piezoeléctricas. Una exhaustiva caracterización de biomateriales confirmó la exitosa integración de las cargas piezoeléctricas con el hidrogel, su foto-polimerización, inyectabilidad para uso clínico y generación de cargas eléctricas para habilitar efectos bioactivos (antibacterianos y regeneración de tejido óseo). PiezoGEL mostró reducciones significativas en la biomasa de biopelícula patógena (∼41%), actividad metabólica (∼75%), y el número de células viables (∼2-3 log) en comparación con hidrogeles sin cargas BTO in vitro. El análisis molecular relacionó los efectos antibacterianos con la reducción de la adhesión celular (regulación a la baja de porP y fimA) y el aumento del estrés oxidativo (regulación al alza de oxyR). Además, PiezoGEL aumentó significativamente la viabilidad y diferenciación osteogénica de las células madre de médula ósea (BMSC) al regular al alza RUNX2, COL1A1 y ALP. In vivo, PiezoGEL redujo efectivamente la inflamación periodontal y aumentó la regeneración del tejido óseo en comparación con los grupos de control en un modelo de ratones. Los hallazgos de este estudio sugieren que PiezoGEL es un candidato terapéutico prometedor y novedoso para el tratamiento de la enfermedad periodontal de manera no quirúrgica.
Palabras clave
GelMA, Antibacterial, Titanato de bario, Regeneración ósea, Cargas eléctricas, Hidrogel, Multifuncional, Periodonto, Piezoeléctrico