La fabricación de una memoria de forma "Auto-ajuste" basado en PCL Bioactivos, Polymer Andamios
October 23rd, 2015
Son de interés los andamios capaces de caber dentro de los defectos óseos craneomaxilofaciales (CMF) mientras exhiben osteoconductividad y bioactividad. Este protocolo describe la preparación de un andamio con memoria de forma basado en diacrilato de policaprolactona (PCL-DA) utilizando un método de lixiviación de partículas de fundición con solvente (SCPL) que emplea una plantilla de sal fundida y la aplicación de un recubrimiento de polidopamina bioactivo.
El objetivo general del siguiente experimento es fabricar un polímero con memoria de forma o andamio SMP que sea capaz de autoencajar en un defecto cráneo-maxilofacial irregular con el fin de promover la osteointegración y la curación del OS. Esto se logra formando primero una plantilla de sal fundida, el uso de fundición con solvente y el curado fotoquímico de policeprolactona di acrl. Sobre la plantilla de sal se forma un andamio con la porosidad altamente interconectada requerida para la conductividad osteo.
Como segundo paso, el andamio se recubre con polidopamina, que proporciona bioactividad. A continuación, el andamio se trata con solución salina tibia, lo que permite su encaje a presión en un modelo irregular. Se obtienen resultados de defectos que muestran autoajuste, mala interconectividad y bioactividad basados en los resultados de ajuste a presión, imágenes de microscopía electrónica de barrido y la formación in vitro de apetito hidroxi.
La principal ventaja de esta técnica frente a los métodos existentes, como el autoinjerto, es que el ajuste conformable conseguido favorece críticamente la osteointegración y la cicatrización ósea. Lindsey Nail, estudiante de doctorado e investigadora en mi laboratorio, demuestra este procedimiento. Para comenzar la preparación del andamio, primero tamice el cloruro de sodio a través de un tamiz de 425 micras y transfiera 1,8 gramos a un vial de vidrio de tres litros en cuatro porciones, agregue lentamente 146 miligramos de agua desionizada al vial, mezclando con una espátula de metal.
Después de cada adición, tape el vial, envuélvalo en un pañuelo de papel y colóquelo verticalmente en un tubo de centrífuga. Centrifuga el tubo durante 15 minutos antes de destapar y dejar que la solución se seque al aire durante la noche. Después de sintetizar P-C-L-D-A como se indica en el protocolo de texto, prepare una solución de macer que contenga 150 miligramos de P-C-L-D-A por mililitro de clorometano en un frasco de vidrio, tape el vial, envuélvalo en papel de aluminio y vértice durante un minuto.
A continuación, prepare una solución fotoiniciadora que contenga 115 miligramos de DMP en un mililitro de un vinilo, dos Perone en un vial de vidrio. Nuevamente, tape el vial, envuélvalo en papel de aluminio y vértice durante un minuto. Pipetear la solución fotoiniciadora en la solución macer para hacer una mezcla del 15% en volumen y vórtice el vial durante un minuto.
A continuación, envuelva el vial que contiene el andamio de sal en papel de aluminio y agregue la mezcla de macer del fotoiniciador hasta que la sal esté cubierta. Tape el vial, envuélvalo en un pañuelo de papel y colóquelo verticalmente en un tubo de centrífuga. Centrifuga el tubo durante 10 minutos.
A continuación, retire el papel de aluminio, destape el vial y exponga la solución a la luz ultravioleta durante tres minutos. A continuación, deje que la solución se seque al aire durante la noche, marque y fracture el vidrio para quitar la parte superior del vial con unas pinzas. Transfiera el andamio en una solución de etanol de agua uno a uno durante cuatro días, cambiando la solución diariamente.
Finalmente, retire el andamio SMP y séquelo al aire durante la noche. Para aplicar primero la capa de polidopamina, inserte una aguja de calibre 20 a la mitad del andamio SMP y luego enrolle un alambre alrededor del cubo de la aguja. Sumerja el andamio en 200 mililitros de una solución de dopamina agitadora y mantenga el cubo de la aguja por encima de la solución anclando el cable al borde del vaso de precipitados.
A continuación, coloque una jeringa en el cubo de la aguja y tire del émbolo para eliminar el aire del andamio. Una vez que esté completamente desgasificado, deje el andamio sumergido durante 16 horas. Retire el andamio de la solución y saque la aguja.
Luego enjuague el andamio con agua desionizada y séquelo en un horno de vacío a temperatura ambiente durante 24 horas. Coloque el andamio en un horno de secado a 85 grados centígrados durante una hora. Finalmente, retire el andamio y deje que se enfríe a temperatura ambiente.
Primero, prepare un modelo de defecto perforando un vacío irregular con un diámetro promedio de aproximadamente seis milímetros en una lámina de plástico rígido de cinco milímetros de espesor. A continuación, sumerja el andamio SMP en un vaso de precipitados con agua desionizada a aproximadamente 60 grados centígrados durante dos minutos. Pruebe que el andamio se ablande notablemente usando pinzas para manipular su forma.
Retire el andamio ablandado del agua con pinzas y presiónelo con la mano en el modelo defectuoso. Deje que el andamio se enfríe a temperatura ambiente y luego retírelo del modelo defectuoso. Observe la nueva forma temporal fija para visualizar el vertido, la interconectividad y el tamaño.
Primero, sumerja el andamio SMP en nitrógeno líquido durante un minuto con pinzas. A continuación, fractura el andamio por la mitad con una cuchilla de afeitar limpia. A continuación, fije una de las mitades del andamio con la superficie fracturada hacia arriba sobre la platina de muestra.
Con cinta de carbono, cubra el andamio con aleación de oro y platino hasta aproximadamente cuatro nanómetros de profundidad. Cargue la muestra en el SEM y luego capture la imagen a un voltaje de aceleración de 10 a 15 kilovoltios. Caracterizar la bioactividad in vitro.
Primero corte un andamio cilíndrico SMP por la mitad a través del borde circular con una cuchilla limpia. Coloque la mitad del andamio en un tubo que contenga 30 mililitros de líquido corporal simulado y luego coloque el tubo en un baño de agua estacionario a 37 grados centígrados después de 14 días. Retire el andamio del tubo y deje que se seque al aire durante 24 horas.
A continuación, fije el andamio con la superficie de corte hacia arriba sobre la platina de muestra de un microscopio electrónico con cinta de carbón. A continuación, recubra la superficie del andamio con una aleación de oro y platino hasta aproximadamente cuatro nanómetros de profundidad. Como antes, cargue la muestra en el SEM y capture la imagen a un voltaje de aceleración de 10 a 15 kilovoltios.
Un andamio SMP se vuelve maleable al calentarse a 60 grados centígrados y se puede instalar dentro de un modelo defectuoso. Después de enfriar a temperatura ambiente, el andamio SMP se retira y conserva su nueva forma temporal fija. En la micrografía electrónica de barrido del andamio SMP sin recubrimiento se muestra la estructura de poros y la morfología altamente interconectada.
La bioactividad G del andamio SMP recubierto de polidopamina se demuestra mediante la formación de hidroxiapatita en los poros, como se muestra en la micrografía electrónica de barrido. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo preparar un andamio de polímero bioactivo con memoria de forma autoajustable utilizando un proceso que implica la fundición con solvente sobre unas pocas partículas de plantilla de sal y la aplicación de un recubrimiento de polidopamina.
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Visión general
Este estudio se centra en la fabricación de un andamio de polímero con memoria de forma diseñado para adaptarse a defectos craneo-maxilofaciales irregulares, promoviendo la osteointegración y la curación. El andamio se crea utilizando una plantilla de sal fundida y se recubre con polidopamina para mejorar la bioactividad.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biomateriales
- Medicina regenerativa
Antecedentes
- Los defectos craneo-maxilofaciales requieren soluciones innovadoras para una curación efectiva.
- Los polímeros con memoria de forma pueden adaptarse a formas irregulares, mejorando el ajuste y la función.
- Los recubrimientos bioactivos mejoran la interacción entre el andamio y los tejidos biológicos.
- La osteoconductividad es crucial para la integración exitosa de andamios en la reparación ósea.
Propósito del estudio
- Desarrollar un andamio que se ajuste por sí mismo a los defectos craneo-maxilofaciales.
- Evaluar las capacidades de osteointegración del andamio.
- Evaluar la efectividad del recubrimiento de polidopamina en la mejora de la bioactividad.
Métodos utilizados
- Fabricación de una plantilla de sal fundida mediante colado con solvente.
- Curado fotoquímico de policaprolactona diacrilato (PCL-DA).
- Recubrimiento del andamio con polidopamina.
- Tratamiento con solución salina tibia para ajustar por presión en los modelos.
Resultados principales
- El andamio demostró capacidades de ajuste por sí mismo en modelos irregulares.
- La microscopía electrónica de barrido reveló la porosidad interconectada del andamio.
- Las pruebas in vitro mostraron la formación exitosa de hidroxiapatita.
- Los resultados indicaron buena bioactividad y osteoconductividad.
Conclusiones
- El andamio desarrollado es prometedor para aplicaciones craneo-maxilofaciales.
- El recubrimiento de polidopamina mejora significativamente la bioactividad.
- Se necesitan estudios adicionales para evaluar la integración a largo plazo y los resultados de curación.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
This protocol addresses a key challenge in cranio-maxillofacial tissue engineering: creating scaffolds that conform to irregular bone defects while maintaining bioactivity and structural integrity. The shape memory polymer scaffold enables defect self-fitting through thermal actuation, supporting osteointegration and reducing surgical complexity. This approach enhances predictive confidence in preclinical bone regeneration models by providing a tunable, bioactive platform for defect-specific implantation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of osteoinductive pathways in biomimetic, defect-adaptive microenvironments.
- Operational Value: Provides a reproducible system for evaluating scaffold-host interactions under physiologically relevant conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, interconnected porous structures for consistent cell seeding and nutrient diffusion.
- Operational Value: Supports high-fidelity screening of biomaterial coatings and bioactive agents in 3D architectures.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Models critical-sized defect repair with shape memory actuation, improving anatomical relevance of preclinical studies.
- Operational Value: Bridges discovery and IND-enabling studies through scalable, solvent-casting fabrication compatible with GMP-adjacent workflows.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum, enabling early-stage biomaterial screening, iterative design refinement, and validation of bioactive functionality prior to lead candidate selection.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on material-mediated osteogenic signaling in dynamic, defect-conforming niches.
- Screening: Delivers assay-ready scaffolds with quantifiable pore interconnectivity and surface bioactivity for compound or coating evaluation.
- Analytics: Enables quantitative assessment of hydroxyapatite formation and shape recovery as functional readouts for biomaterial performance.
- Translational Research: Facilitates continuity from bench to preclinical validation by simulating clinical defect geometries and physiological trigger conditions.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular platform for iterative biomaterial optimization across multiple craniofacial and orthopedic indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances target validation by reducing false negatives from poor scaffold-defect mismatch in bone healing assays.
- Operational Value: Ensures batch-to-batch consistency via standardized salt-leaching and photopolymerization parameters.
- Strategic Value: De-risks preclinical advancement by demonstrating defect conformity and bioactivity in relevant models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions for biomaterial programs through early-stage integration of structural and biological performance metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer synthesis, solvent casting, and biomaterial coating techniques.
- Depends on UV curing infrastructure and controlled thermal cycling equipment for shape memory activation.
- Necessitates standardized protocols for pore interconnectivity assessment and bioactivity quantification across teams.
- Must account for variability in salt particle size and polymer concentration affecting scaffold mechanics and degradation.
- Limited by the need for precise temperature control during scaffold implantation to avoid premature shape recovery.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:38
Preparation of the Shape Memory Polymer (SMP) Scaffold
4:13
Applying the Polydopamine Coating to the SMP Scaffold
5:24
Demonstrating the Self-fitting Behavior of the SMP Scaffold
6:20
Characterization of the SMP Scaffold using Scanning Electron Microscopy
8:14
Results: Shape Memory Behavior and Properties of SMP Scaffolds
9:04
Conclusion
