We describe in this study whether the gold nanoparticle (AuNP) surface-functionalized with PEG, biotin, paclitaxel (PTX) and rhodamine B linked beta-cyclodextrin (β-CD) (AuNP-5′) can be useful as a theranostic agent for cancer therapy without the cytotoxic effect on normal cells. Prior to surface-functionalizing AuNPs, the cytotoxicity of the nanoparticles was evaluated, followed by their cytocompatibility. PTX, an anti-cancer agent, formed inclusion complexations with β-CD conjugated AuNPs, and effectively released from the AuNP-2′ surface-functionalized with PEG, beta-cyclodextrin (β-CD) and paclitaxel (PTX) using the intracellular glutathione (GSH) level (10 mm). Two types of AuNP-4 surface-functionalized with PEG and rhodamine B linked β-CD and AuNP-5 surface-functionalized PEG, biotin and rhodamine B linked β-CD were used for evaluating their specific interaction on cancer cells such as HeLa, A549 and MG63. These were also tested against normal NIH3T3 cell, determining that the AuNP-5 was more effectively involved with the cancer cells. Confocal laser scanning microscopy (CLSM), fluorescence-activated cell-sorting (FACS) and cell viability analyses showed that the AuNP-5′ plays a significant role in the diagnosis and therapy of the cancer cells, and may be used in theranostic agents.

Gold nanoparticles (GNPs) are widely used in diagnostics, drug delivery, biomedical imaging, and photo-thermal therapy due to their surface plasmon resonance, fluorescence, and easy-surface functionalization. According to recent studies, GNPs display a positive effect on the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) and MC3T3-E1 osteoblast-like cells. The aim of this study was to develop a new approach for bone tissue regeneration based on the utilization of a biodegradable hydrogel loaded with GNPs. We have used photo-curable gelatin hydrogels (Gel) in order to provide a proof of principle of GNPs in regeneration strategies for bone tissue repair. We have investigated the effects of these Gel-GNP composite hydrogels both in vitro and in vivo. The in vitro results showed that the hydrogels loaded with GNPs promote proliferation, differentiation, and alkaline phosphate (ALP) activities of human adipose-derived stem cells (ADSCs) as they differentiate towards osteoblast cells in a dose-dependent manner. Moreover, the in vivo results showed that these hydrogels loaded with high concentrations of GNPs had a significant influence on new bone formation. Through these in vitro and vivo tests, we found that the Gel-GNP can be a useful material for bone tissue engineering.

Aspiration-assisted bioprinting enables precise positioning of viscoelastic spheroids in both scaffold-based and free manner.

Nanomaterials, such as carbon nanotubes (CNTs), have been introduced to modify the surface properties of scaffolds, thus enhancing the interaction between the neural cells and biomaterials. In addition to superior electrical conductivity, CNTs can provide nanoscale structures similar to those present in the natural neural environment. The primary objective of this study is to investigate the proliferative capability and differential potential of neural stem cells (NSCs) seeded on a CNT incorporated scaffold.Amine functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were incorporated with a PEGDA polymer to provide enhanced electrical properties as well as nanofeatures on the surface of the scaffold. A stereolithography 3D printer was employed to fabricate a well-dispersed MWCNT-hydrogel composite neural scaffold with a tunable porous structure. 3D printing allows easy fabrication of complex 3D scaffolds with extremely intricate microarchitectures and controlled porosity.Our results showed that MWCNT-incorporated scaffolds promoted neural stem cell proliferation and early neuronal differentiation when compared to those scaffolds without the MWCNTs. Furthermore, biphasic pulse stimulation with 500 µA current promoted neuronal maturity quantified through protein expression analysis by quantitative polymerase chain reaction.Results of this study demonstrated that an electroconductive MWCNT scaffold, coupled with electrical stimulation, may have a synergistic effect on promoting neurite outgrowth for therapeutic application in nerve regeneration.

Abstract Conventional top-down approaches in tissue engineering involving cell seeding on scaffolds have been widely used in bone engineering applications. However, scaffold-based bone tissue constructs have had limited clinical translation due to constrains in supporting scaffolds, minimal flexibility in tuning scaffold degradation, and low achievable cell seeding density as compared with native bone tissue. Here, we demonstrate a pragmatic and scalable bottom-up method, inspired from embryonic developmental biology, to build three-dimensional (3D) scaffold-free constructs using spheroids as building blocks. Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were introduced to human mesenchymal stem cells (hMSCs) (hMSC/HUVEC) and spheroids were fabricated by an aggregate culture system. Bone tissue was generated by induction of osteogenic differentiation in hMSC/HUVEC spheroids for 10 days, with enhanced osteogenic differentiation and cell viability in the core of the spheroids compared to hMSC-only spheroids. Aspiration-assisted bioprinting (AAB) is a new bioprinting technique which allows precise positioning of spheroids (11% with respect to the spheroid diameter) by employing aspiration to lift individual spheroids and bioprint them onto a hydrogel. AAB facilitated bioprinting of scaffold-free bone tissue constructs using the pre-differentiated hMSC/HUVEC spheroids. These constructs demonstrated negligible changes in their shape for two days after bioprinting owing to the reduced proliferative potential of differentiated stem cells. Bioprinted bone tissues showed interconnectivity with actin-filament formation and high expression of osteogenic and endothelial-specific gene factors. This study thus presents a viable approach for 3D bioprinting of complex-shaped geometries using spheroids as building blocks, which can be used for various applications including but not limited to, tissue engineering, organ-on-a-chip and microfluidic devices, drug screening and, disease modeling.

Embedded bioprinting enables direct deposition of bioinks in three dimensions inside a support bath with shear-thinning and self-healing capabilities, and it has been used to fabricate complex tissues and organs for several biomedical applications. In this study, a support bath comprising gelatin/alginate microparticles and oxidized alginate solution was developed and crosslinked in situ with carbonyl hydrazide-modified gelatin bioink via the Schiff base reaction. The numerical model of embedded printing was established to analyze the extrusion process and disturbance of the support bath. The process window (e.g., extrusion pressure, nozzle moving speed, nozzle size, and support bath composition) was established experimentally to ensure stable fiber formation. In addition, the compressive modulus of the printed construct has been reinforced due to the formation of interpenetrating polymer networks in the microparticles. Based on the process investigation, a zonally stratified artificial cartilage with a three-layered structure was designed: vertically printed fibers in the bottom, oblique fibers in the middle, and horizontally printed fibers in the superficial layer. The bioprinted cartilage supported cell survival, proliferation, and spreading, with the observed deposition of cartilage-specific proteins, offering a new strategy for developing tissue-engineered cartilage constructs with biological and histological relevance.