One of the major obstacles in engineering thick, complex tissues such as muscle is the need to vascularize the tissue in vitro. Vascularization in vitro could maintain cell viability during tissue growth, induce structural organization and promote vascularization upon implantation. Here we describe the induction of endothelial vessel networks in engineered skeletal muscle tissue constructs using a three-dimensional multiculture system consisting of myoblasts, embryonic fibroblasts and endothelial cells coseeded on highly porous, biodegradable polymer scaffolds. Analysis of the conditions for induction and stabilization of the vessels in vitro showed that addition of embryonic fibroblasts increased the levels of vascular endothelial growth factor expression in the construct and promoted formation and stabilization of the endothelial vessels. We studied the survival and vascularization of the engineered muscle implants in vivo in three different models. Prevascularization improved the vascularization, blood perfusion and survival of the muscle tissue constructs after transplantation.

Biomaterials can be endowed with biologically instructive properties by changing basic parameters such as elasticity and surface texture. However, translation from in vitro proof of concept to clinical application is largely missing. Porous calcium phosphate ceramics are used to treat small bone defects but in general do not induce stem cell differentiation, which is essential for regenerating large bone defects. Here, we prepared calcium phosphate ceramics with varying physicochemical and structural characteristics. Microporosity correlated to their propensity to stimulate osteogenic differentiation of stem cells in vitro and bone induction in vivo. Implantation in a large bone defect in sheep unequivocally demonstrated that osteoinductive ceramics are equally efficient in bone repair as autologous bone grafts. Our results provide proof of concept for the clinical application of "smart" biomaterials.

In this study, we present and characterize a fiber deposition technique for producing three-dimensional poly(ethylene glycol)-terephthalate—poly(butylene terephthalate) (PEGT/PBT) block co-polymer scaffolds with a 100% interconnecting pore network for engineering of articular cartilage. The technique allowed us to "design-in" desired scaffold characteristics layer by layer by accurately controlling the deposition of molten co-polymer fibers from a pressure-driven syringe onto a computer controlled x–y–z table. By varying PEGT/PBT composition, porosity and pore geometry, 3D-deposited scaffolds were produced with a range of mechanical properties. The equilibrium modulus and dynamic stiffness ranged between 0.05–2.5 and 0.16–4.33 MPa, respectively, and were similar to native articular cartilage explants (0.27 and 4.10 MPa, respectively). 3D-deposited scaffolds seeded with bovine articular chondrocytes supported a homogeneous cell distribution and subsequent cartilage-like tissue formation following in vitro culture as well as subcutaneous implantation in nude mice. This was demonstrated by the presence of articular cartilage extra cellular matrix constituents (glycosaminoglycan and type II collagen) throughout the interconnected pore volume. Similar results were achieved with respect to the attachment of expanded human articular chondrocytes, resulting in a homogenous distribution of viable cells after 5 days dynamic seeding. The processing methods and model scaffolds developed in this study provide a useful method to further investigate the effects of scaffold composition and pore architecture on articular cartilage tissue formation.

In order to unravel the mechanism of osteoinduction by biomaterials, in this study we investigated the influence of the specific surface area on osteoinductive properties of two types of calcium phosphate ceramics. Different surface areas of the ceramics were obtained by varying their sintering temperatures. Hydroxyapatite (HA) ceramic was sintered at 1150 and 1250 °C. Biphasic calcium phosphate (BCP) ceramic, consisting of HA and beta-tricalcium phosphate (β-TCP), was sintered at 1100, 1150 and 1200 °C. Changes in sintering temperature did not influence the chemistry of the ceramics; HA remained pure after sintering at different temperatures and the weight ratio of HA and β-TCP in the BCP was independent of the temperature as well. Similarly, macroporosity of the ceramics was unaffected by the changes of the sintering temperature. However, microporosity (pore diameter <10 μm) significantly decreased with increasing sintering temperature. In addition to the decrease of the microporosity, the crystal size increased with increasing sintering temperature. These two effects resulted in a significant decrease of the specific surface area of the ceramics with increasing sintering temperatures. Samples of HA1150, HA1250, BCP1100, BCP1150 and BCP1200 were implanted in the back muscles of Dutch milk goats and harvested at 6 and 12 weeks post implantation. After explantation, histomorphometrical analysis was performed on all implants. All implanted materials except HA1250 induced bone. However, large variations in the amounts of induced bone were observed between different materials and between individual animals. Histomorphometrical results showed that the presence of micropores within macropore walls is necessary to make a material osteoinductive. We postulate that introduction of microporosity within macropores, and consequent increase of the specific surface area, affects the interface dynamics of the ceramic in such a way that relevant cells are triggered to differentiate into the osteogenic lineage.

The combination of the high mechanical strength of metals with the osteoconductive properties of calcium phosphates make hydroxyapatite coatings on titanium implants widely used in orthopedic surgery. However, the most popular coating method, plasma spraying, exhibits some important drawbacks: the inability to cover porous implants and to incorporate biologically active agents, delamination, and particle release. The aim of this study was to elaborate a dense, strong, and thick calcium‐phosphate coating on titanium and porous‐tantalum implants using a two‐step biomimetic procedure. In the first step, the implants were soaked in a solution that was 5 times more concentrated than regular simulated body fluid (SBF‐A solution). A thin but uniform amorphous calcium‐phosphate coating was deposited on the metal. Then, the implants were immersed in the SBF‐B solution, which had a similar composition as the SBF‐A solution, but with decreased contents of crystal growth inhibitors (i.e., Mg 2+ and HCO 3 − ). This resulted in the fast precipitation of a 30 μm thick crystalline calcium‐phosphate coating. The pH of the SBF‐B solution and the thickness of the crystalline coating layer were studied as a function of time. The Fourier transform infrared spectra and X‐ray diffraction patterns showed that this new coating closely resembles bone mineral. Our biomimetic coating should facilitate rapid bone formation around the implant, reducing therewith the patient's recovery time after surgery.

One of the main issues in tissue engineering is the fabrication of scaffolds that closely mimic the biomechanical properties of the tissues to be regenerated. Conventional fabrication techniques are not sufficiently suitable to control scaffold structure to modulate mechanical properties. Within novel scaffold fabrication processes 3D fiber deposition (3DF) showed great potential for tissue engineering applications because of the precision in making reproducible 3D scaffolds, characterized by 100% interconnected pores with different shapes and sizes. Evidently, these features also affect mechanical properties. Therefore, in this study we considered the influence of different structures on dynamic mechanical properties of 3DF scaffolds. Pores were varied in size and shape, by changing fibre diameter, spacing and orientation, and layer thickness. With increasing porosity, dynamic mechanical analysis (DMA) revealed a decrease in elastic properties such as dynamic stiffness and equilibrium modulus, and an increase of the viscous parameters like damping factor and creep unrecovered strain. Furthermore, the Poisson's ratio was measured, and the shear modulus computed from it. Scaffolds showed an adaptable degree of compressibility between sponges and incompressible materials. As comparison, bovine cartilage was tested and its properties fell in the fabricated scaffolds range. This investigation showed that viscoelastic properties of 3DF scaffolds could be modulated to accomplish mechanical requirements for tailored tissue engineered applications.

Water-soluble chitosan derivatives, chitosan-graft-glycolic acid (GA) and phloretic acid (PA) (CH-GA/PA), were designed to obtain biodegradable injectable chitosan hydrogels through enzymatic crosslinking with horseradish peroxidase (HRP) and H2O2. CH-GA/PA polymers were synthesized by first conjugating glycolic acid (GA) to native chitosan to render the polymer soluble at pH 7.4, and subsequent modification with phloretic acid (PA). The CH-GA43/PA10 with a degree of substitution (DS, defined as the number of substituted NH2 groups per 100 glucopyranose rings of chitosan) of GA of 43 and DS of PA of 10 showed a good solubility at pH values up to 10. Short gelation times (e.g. 10 s at a polymer concentration of 3 wt%), as recorded by the vial tilting method, were observed for the CH-GA43/PA10 hydrogels using HRP and H2O2. It was shown that these hydrogels can be readily degraded by lysozyme. In vitro culturing of chondrocytes in CH-GA43/PA10 hydrogels revealed that after 2 weeks the cells were viable and retained their round shape. These features indicate that CH-GA/PA hydrogels are promising as an artificial extracellular matrix for cartilage tissue engineering.

The blastocyst (the early mammalian embryo) forms all embryonic and extra-embryonic tissues, including the placenta. It consists of a spherical thin-walled layer, known as the trophectoderm, that surrounds a fluid-filled cavity sheltering the embryonic cells1. From mouse blastocysts, it is possible to derive both trophoblast2 and embryonic stem-cell lines3, which are in vitro analogues of the trophectoderm and embryonic compartments, respectively. Here we report that trophoblast and embryonic stem cells cooperate in vitro to form structures that morphologically and transcriptionally resemble embryonic day 3.5 blastocysts, termed blastoids. Like blastocysts, blastoids form from inductive signals that originate from the inner embryonic cells and drive the development of the outer trophectoderm. The nature and function of these signals have been largely unexplored. Genetically and physically uncoupling the embryonic and trophectoderm compartments, along with single-cell transcriptomics, reveals the extensive inventory of embryonic inductions. We specifically show that the embryonic cells maintain trophoblast proliferation and self-renewal, while fine-tuning trophoblast epithelial morphogenesis in part via a BMP4/Nodal–KLF6 axis. Although blastoids do not support the development of bona fide embryos, we demonstrate that embryonic inductions are crucial to form a trophectoderm state that robustly implants and triggers decidualization in utero. Thus, at this stage, the nascent embryo fuels trophectoderm development and implantation. Trophoblast and embryonic stem cells interact in vitro to form structures that resemble early blastocysts, and the embryo provides signals that drive early trophectoderm development and implantation.

The response of osteoprogenitors to calcium (Ca2+) is of primary interest for both normal bone homeostasis and the clinical field of bone regeneration. The latter makes use of calcium phosphate-based bone void fillers to heal bone defects, but it is currently not known how Ca2+ released from these ceramic materials influences cells in situ. Here, we have created an in vitro environment with high extracellular Ca2+ concentration and investigated the response of human bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (hMSCs) to it. Ca2+ enhanced proliferation and morphological changes in hMSCs. Moreover, the expression of osteogenic genes is highly increased. A 3-fold up-regulation of BMP-2 is observed after only 6 h and pharmaceutical interference with a number of proteins involved in Ca2+ sensing showed that not the calcium sensing receptor, but rather type L voltage-gated calcium channels are involved in mediating the signaling pathway between extracellular Ca2+ and BMP-2 expression. MEK1/2 activity is essential for the effect of Ca2+ and using microarray analysis, we have identified c-Fos as an early Ca2+ response gene. We have demonstrated that hMSC osteogenesis can be induced via extracellular Ca2+, a simple and economic way of priming hMSCs for bone tissue engineering applications.

The advance of rapid prototyping techniques has significantly improved control over the pore network architecture of tissue engineering scaffolds. In this work, we have assessed the influence of scaffold pore architecture on cell seeding and static culturing, by comparing a computer designed gyroid architecture fabricated by stereolithography with a random pore architecture resulting from salt leaching. The scaffold types showed comparable porosity and pore size values, but the gyroid type showed a more than 10-fold higher permeability due to the absence of size-limiting pore interconnections. The higher permeability significantly improved the wetting properties of the hydrophobic scaffolds and increased the settling speed of cells upon static seeding of immortalised mesenchymal stem cells. After dynamic seeding followed by 5 days of static culture gyroid scaffolds showed large cell populations in the centre of the scaffold, while salt-leached scaffolds were covered with a cell sheet on the outside and no cells were found in the scaffold centre. It was shown that interconnectivity of the pores and permeability of the scaffold prolonged the time of static culture before overgrowth of cells at the scaffold periphery occurred. Furthermore, novel scaffold designs are proposed to further improve the transport of oxygen and nutrients throughout the scaffolds and to create tissue engineering grafts with a designed, pre-fabricated vasculature.