Mussel-inspired bioceramics with self-assembled Ca-P/polydopamine composite nanolayer : preparation, formation mechanism, improved cellular bioactivity and osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells

The nanostructured surface of biomaterials plays an important role in improving their in vitro cellular bioactivity as well as stimulating in vivo tissue regeneration. Inspired by the mussel’s adhesive versatility, which is thought to be due to the plaque–substrate interface being rich in 3,4-dihydroxy-L-phenylalamine (DOPA) and lysine amino acids, in this study we developed a self-assembly method to prepare a uniform calcium phosphate (Ca-P)/polydopamine composite nanolayer on the surface of b-tricalcium phosphate (b-TCP) bioceramics by soaking b-TCP bioceramics in Tris–dopamine solution. It was found that the addition of dopamine, reaction temperature and reaction time are three key factors inducing the formation of a uniform Ca-P/polydopamine composite nanolayer. The formation mechanism of a Ca-P/polydopamine composite nanolayer involved two important steps: (i) the addition of dopamine to Tris–HCl solution decreases the pH value and accelerates Ca and P ionic dissolution from the crystal boundaries of b-TCP ceramics; (ii) dopamine is polymerized to form self-assembled polydopamine film and, at the same time, nanosized Ca-P particles are mineralized with the assistance of polydopamine, in which the formation of polydopamine occurs simultaneously with Ca-P mineralization (formation of nanosized microparticles composed of calcium phosphate-based materials), and finally a self-assembled Ca-P/polydopamine composite nanolayer forms on the surface of the b-TCP ceramics. Furthermore, the formed self-assembled Ca-P/polydopamine composite nanolayer significantly enhances the surface roughness and hydrophilicity of b-TCP ceramics, and stimulates the attachment, proliferation, alkaline phosphate (ALP) activity and bone-related gene expression (ALP, OCN, COL1 and Runx2) of human bone marrow stromal cells. Our results suggest that the preparation of self-assembled Ca-P/polydopamine composite nanolayers is a viable method to modify the surface of biomaterials by significantly improving their surface physicochemical properties and cellular bioactivity for bone regeneration application.

Mussel-inspired porous SiO2 scaffolds with improved mineralization and cytocompatibility for drug delivery and bone tissue engineering

Porous SiO2 scaffolds with mesopore structure (named as MS scaffolds) have been proposed as suitable for bone tissue engineering due to their excellent drug-delivery ability; however, the mineralization and cytocompatibility of MS scaffolds are far from optimal for bone tissue engineering, and it is also unclear how the delivery of drugs from MS scaffolds affects osteoblastic cells. The aims of the present study were to improve the mineralization and cytocompatibility of MS scaffolds by coating mussel-inspired polydopamine on the pore walls of scaffolds. The effects of polydopamine modification on MS scaffolds was investigated with respect to apatite mineralization and the attachment, proliferation and differentiation of bone marrow stromal cells (BMSCs), as was the release profile of the drug dexamethasone (DEX). Our results show that polydopamine can readily coat the pore walls of MS scaffolds and that polydopamine-modified MS scaffolds have a significantly improved apatite-mineralization ability as well as better attachment and proliferation of BMSCs in the scaffolds, compared to controls. Polydopamine modification did not alter the release profile of DEX from MS scaffolds but the sustained delivery of DEX significantly improved alkaline phosphatase (ALP) activity of BMSCs in the scaffolds. These results suggest that polydopamine modification is a viable option to enhance the bioactivity of bone tissue engineering scaffolds and, further, that DEX-loaded polydopamine MS scaffolds have potential uses as a release system to enhance the osteogenic properties of bone tissue engineering applications.

Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Validation et conditionnement d'un test PAMPA amélioré pour l'évaluation de la perméabilité membranaire de médicaments.

Les tests PAMPA et les tests Caco-2 sont des essais in vitro de l’évaluation de la perméabilité intestinale des médicaments. Ils sont réalisés lors de la phase de découverte du médicament. Les tests PAMPA ne sont pas biologiquement représentatifs de la paroi intestinale, mais ils sont rapides et peu coûteux. Les tests Caco-2 nécessitent plus de 21 jours pour la culture cellulaire et des installations spécifiques sont requises. Ils sont constitués d’une monocouche d’entérocytes à confluence et donc plus biologiquement représentatifs. Il y a un besoin pour le développement d’un essai qui est biologiquement représentatif de la membrane intestinale humaine, rapide et peu coûteux. Le premier but de ce projet était de développer une méthode analytique qui permettrait l’évaluation simultanée de huit médicaments témoins utilisés pour la validation de l’essai de perméabilité. Le deuxième but de ce projet était donc d’améliorer la membrane des tests PAMPA pour proposer un nouveau test : le néoPAMPA. Contrairement au test PAMPA traditionnel, cette membrane est constituée de trois composantes : (1) un filtre poreux qui agit à titre de support, (2) un coussin polydopamine chargé négativement qui sert d’ancrage et qui assure la fluidité de la bicouche et (3) une bicouche lipidique formée par fusion de vésicules. Une méthode analytique HPLC-MS/MS a été validée selon les spécifications de la FDA et de la EMA. Cette méthode a permis de quantifier simultanément les huit médicaments standards utilisés pour le test néoPAMPA. Le test PAMPA traditionnel a été mis en place à titre d’essai control. Les coefficients de perméabilité mesurés pour les huit médicaments au travers de la membrane PAMPA comparaient favorablement aux résultats de la littérature. Les composantes de la membrane néoPAMPA ont été optimisées. Les conditions optimales retenues étaient les filtres de polycarbonate hydrophile ayant des pores de 15 nm, les plaques Costar 12 puits comme dispositif des tests de perméabilité, une bicouche lipidique composée de 70 % DOPC et de 30 % cholestérol cationique ainsi qu’une déposition des liposomes en présence de 150 mM NaCl suivi d’un équilibre d’1 h en présence d’une solution saturée en DOPC. Les stabilités de la cassette de médicaments et des liposomes sont insuffisantes pour le conditionnement commercial des membranes néoPAMPA. Les différentes optimisations réalisées ont permis d’améliorer la membrane néoPAMPA sans toutefois la rendre fonctionnelle. La membrane néoPAMPA n’est toujours pas en mesure de discriminer des molécules en fonction de leur perméabilité attendue.

Electrochemical reactions of catechol, methylcatechol and dopamine at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes

The electrochemical reactions of dopamine, catechol and methylcatechol were investigated at tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin film electrodes. In order to better understand the reaction mechanisms of these molecules, cyclic voltammetry with varying scan rates was carried out at different pH values in H2SO4 and PBS solutions. The results were compared to the same redox reactions taking place at glassy carbon (GC) electrodes. All three catechols exhibited quasi-reversible behavior with sluggish electron transfer kinetics at the ta-C electrode. At neutral and alkaline pH, rapid coupled homogeneous reactions followed the oxidation of the catechols to the corresponding o-quinones and led to significant deterioration of the electrode response. At acidic pH, the extent of deterioration was considerably lower. All the redox reactions showed significantly faster electron transfer kinetics at the GC electrode and it was less susceptible toward surface passivation. An EC mechanism was observed for the oxidation of dopamine at both ta-C and GC electrodes and the formation of polydopamine was suspected to cause the passivation of the electrodes.