Silicon-delivering cellularized biomaterials for dental repair
Biomatériaux cellularisés pour l'étude de l'effet du silicium sur la réparation dentaire
Abstract
Silicon is present in low but non-negligible amounts in biological fluids and has been shown to be beneficial for bone formation. In parallel, many silica-based materials are used in bone repair. In sharp contrast, although silica-based materials are used in dentistry as pulp capping materials for dentin repair, very few studies to date have demonstrated that silicon can have an impact on dentin formation. In this context, the present project aims at preparing materials that allow for studying the role of silicon on dentin tissue formation. These materials combined collagen, the main protein in dentin, and human dental pulp stem cells.In a first step, dense collagen hydrogels were prepared using plastic compression method, and fully characterized in terms of structure and mechanical properties. Then they were used as hosts for dental pulp stem cells to study the behaviour of the cells within the matrix. Results showed that this method was sensitive to small differences in protocol preparation and cell culture conditions. Successful mineralization was achieved with a cell density of 2 M.mL-1 within the gels.In a second step, we analyzed the effects of soluble silicon (silicic acid) on dental pulp stem cells in the collagenous matrix. Our results revealed that silicic acid at supraphysiological doses (100 µM), although subtoxic (< 1mM), reduce mineral formation.Finally, nanocomposites hydrogels combining collagen and silicon-releasing nanoparticles (silica and bioglasses) were prepared. As in the 2nd step, the impact these silica-based nanoparticles on the dental pulp stem cells was assessed. Our findings showed that the extent of mineral deposition was comparable in all gels. While cell distribution and mineral deposition in the matrix with silica nanoparticles were not uniform, gels containing bioglasses showed homogeneous cell distribution and mineralization. A proposed mechanism is that silicon interacts with collagenous matrix, rather than cells themselves, and this may be detrimental to the cell mineralization function. These results offer valuable insight into the biological importance of silicon in dental applications and may contribute to the improvement of these materials as part of mineralized tissue engineering strategies.
Le silicium est présent en quantités faibles mais non négligeables dans les fluides biologiques et il a été démontré qu'il était bénéfique pour la formation des os. Parallèlement, de nombreux matériaux à base de silice sont utilisés dans la réparation osseuse. En revanche, bien que les matériaux à base de silice soient utilisés en dentisterie comme matériaux de coiffage pulpaire pour la réparation de la dentine, très peu d'études ont démontré jusqu'à présent que le silicium peut avoir un impact sur la formation de la dentine. Dans ce contexte, le présent projet vise à préparer des matériaux qui permettent d'étudier le rôle du silicium sur la formation de la dentine. Ces matériaux combinent le collagène, la principale protéine de la dentine, et les cellules souches de la pulpe dentaire humaine. Dans un premier temps, des hydrogels de collagène denses ont été préparés par compression plastique et entièrement caractérisés en termes de structure et de propriétés mécaniques. Ils ont ensuite été utilisés comme hôtes pour les cellules souches de la pulpe dentaire afin d'étudier le comportement des cellules dans la matrice. Les résultats ont montré que cette méthode était sensible à de petites variations du protocole de préparation et des conditions de culture cellulaire. Une minéralisation effective a été obtenue avec une densité cellulaire de 2 M.mL-1 dans les gels. Dans un deuxième temps, nous avons analysé les effets du silicium soluble (acide silicique) sur les cellules souches de la pulpe dentaire dans la matrice collagénique. Nos résultats ont révélé que l'acide silicique à des doses supraphysiologiques (100 µM), bien que subtoxiques (< 1mM), réduit la formation minérale. Enfin, des hydrogels nanocomposites associant collagène et nanoparticules (silice et bioverres) relarguant du silicium ont été préparés. Comme dans l'étape 2, l'impact de ces nanoparticules sur les cellules souches de la pulpe dentaire a été évalué. Nos résultats ont montré un dépôt minéral comparable dans tous les gels. Alors que la distribution des cellules et le dépôt minéral dans la matrice contenant des nanoparticules de silice n'étaient pas uniformes, les gels contenant des bioverres présentaient une distribution cellulaire et une minéralisation homogènes. L'un des mécanismes proposés est que le silicium interagit avec la matrice de collagène, plutôt qu'avec les cellules, ce qui peut entraver la fonction minéralisatrice des cellules. Ces résultats offrent un aperçu précieux de la place biologique du silicium dans les applications dentaires et peuvent contribuer à l'amélioration de ces matériaux dans le cadre de l'ingénierie des tissus minéralisés.
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