傾斜孔サイズを有するポリ（乳酸）スキャフォールドを製造するために簡便かつ環境に優しいルート

組織工学は、疾患または損傷した組織の正常な機能を回復および維持できるデバイスの開発に焦点を当てています。天然組織のほとんどは、特定の空間階層にあるさまざまな種類の細胞と細胞外マトリックスで構成されています。例えば、関節軟骨は、コラーゲン繊維とコラーゲン結合タンパク質の種類と向きが異なる異なるゾーンで構成されています。

組織工学で採用される主な戦略は、単相性、二相性、および三相性のアプローチに分けることができます。二相性および三相性アプローチは、2つまたは3つの異なる細孔構造、材料、またはフィラーを使用して、多層機能デバイスを調製します。単一の材料を使用して、1つ以上の物理的特性の勾配を作成することができれば、二相性または三相性デバイスを実現することもできます。

この作品のフレームでは、ポリ乳酸ベースの3層の細孔足場を達成するための高速で簡単なルートが提示されます。他の多くの足場製造技術とは異なり、ここで採用された戦略は、環境や組織内の生細胞に潜在的に危険な有毒な溶剤を必要としないため、環境にやさしいと考えることができます。特に、提案された経路は、溶融混合、圧縮成形、および塩浸出を組み合わせたものです。

形態学的解析と構造の機械的挙動の両方を調査し、特に準備されたデバイスの処理構造特性の関係に注意を払いました。塩化ナトリウムを実験室用グラインダーで20分間粉砕した。その後、塩化ナトリウムを100°Cのヒーターで乾燥させた後、ふるい分け機で共振を示さない利用可能な最高周波数で30分間ふるいにかけました。

選択された6つの画分は、1, 000ミクロンから500ミクロン、500ミクロンから300ミクロン、200ミクロンから100ミクロン、100ミクロンから90、および65から45の範囲であり、塩粒径が45ミクロン未満の最後の画分であった。すべての材料は、加工中の加水分解の切断を避けるために、90°Cでポリ乳酸、25°Cでポリエチレングリコール、105°Cで塩化ナトリウムを真空乾燥しました。 ポリエチレングリコールの重量パーセントは5パーセント、塩化ナトリウムの重量パーセントは75パーセントです。その後、材料はバッチミキサーに供給されました。

温度は190°C、ローター回転数は60RPMに設定。材料は、一定のトルク値に達するまで、通常は約10分後に処理されました。次に、ブレンドを供給され、液体窒素で急激に冷却されました。

各層を調製するために、ブレンドを210°Cの実験室プレスで圧縮成形し、サンプルを直径10ミリメートル、高さ3ミリメートルの適切な円筒形の金型で成形しました。材料は、周囲圧力と210°Cで60秒間予熱され、その後、圧力が180バールに上昇し、3分間保持されました。その後、ブレンドを室温で冷却し、圧力を180バールに保ちました。

異なる塩粒径を用いて調製したポリマー塩化ナトリウムブレンドを、直径10ミリメートル、高さ3ミリメートルの適切な円筒形型に入れた。その後、材料を再び5分間圧縮成形しました。さらに詳しく説明すると、2つの異なる3層構造の足場が用意されました。

あるケースでは、3層構造は、1, 000ミクロンから500ミクロン、500ミクロンから300ミクロン、および200ミクロンから100ミクロンの範囲の塩化ナトリウム粒子サイズで満たされたブレンドを組み立てることによって得られました。他の3層構造の足場は、100ミクロンから90ミクロンの範囲の塩化ナトリウム粒子サイズ、65〜45ミクロンの範囲の塩化ナトリウム粒子サイズで満たされたブレンドを組み立て、最後の層を塩粒サイズが45ミクロン未満で組み立てることによって得られました。次に、ブレンドを円筒形の型から取り出し、秤量し、攪拌せずに沸騰した脱塩水に3時間入れました。

得られた構造物は、その後、ドラフトの下で室温で12時間乾燥させました。さらに、接続性と水分摂取量を評価するために、乾燥の前後にサンプルを秤量しました。各サンプルの理論的な空隙率は、次の式に従って評価されました。

混合物の組成は、理論上の空隙率が70.8%の足場を得るために設計されました質問2によって計算された空隙率は、すべての足場タイプの理論的なものに非常に近いため、すべての気孔剤がデバイスから抽出されたと結論付けるのが合理的です。足場の形態は、走査型電子顕微鏡によって評価されました。サンプルは液体窒素下で破砕されました。

次に、試料を粘着性のカーボンテープを使用してアルミニウムスタブに貼り付けました。生理環境下での圧縮試験の前に、真空フラスコを用いてリン酸緩衝生理食塩水で試料を充填していました。この方法により、溶液は足場のすべての空隙体積を埋めることができます。

最後に、層間に発生する界面接着強度を評価するために、引張試験が行われました。走査型電子顕微鏡分析により、塩化ナトリウムの粒子サイズが足場の多孔質構造に強い影響を与えることが確認されました。図1のa、fは、異なる塩粒度で満たされた材料を浸出させることによって達成された足場の走査型電子顕微鏡によって得られた画像を示しています。

細孔径の測定により、足場の平均細孔径は、ポリマーマトリックスに充填された塩化ナトリウムサイズによって強く制御されていることが明らかになりました。特に、1, 000〜500ミクロンの範囲でふるいにかけられた塩を含むブレンドから得られた足場は、おそらく溶融混合中に直径500ミクロンを超える塩粒子が壊れたため、平均直径500ミクロンの細孔を示しました。同じ図ではっきりとわかるように、細孔構造は、不規則な細孔の数が少なく、相互接続が不十分で、約10ミクロンの壁に囲まれていることを特徴としています。

図1bは、500〜300ミクロンの範囲の塩を使用して得られた足場の形態を示しています。このケースでは、細孔は溶融混合時に充填された塩粒子と同じ範囲内で平均直径を示すことがわかり、溶融混合プロセスで粒子の破損が発生していないことが確認されました。毛穴の周りの壁は、前の壁よりも約5ミクロン薄くなっていることがわかりました。

200〜100ミクロンの範囲の塩を用いて得られた足場は、100〜200ミクロンの大きな細孔が小さな細孔で囲まれた不均一なネットワークを特徴とする二峰性の多孔質構造を示した。この細孔構造は、細孔と単位体積あたりの細孔の量との間の相互接続を強化しますが、壁の厚さの大幅な薄化を決定します。100、90ミクロンの範囲の塩を用いて得られた足場の形態は、ポリマーマトリックス全体に均一に分布した、ほぼ立方体の細孔を示した。

ポリエチレングリコールの溶媒和による微細孔が壁の内側に見られましたが、実際には非常に粗く見えます。45、65ミクロンの範囲の塩を使用して得られた足場の走査型電子顕微鏡顕微鏡写真は、直径が45〜765ミクロンの単位体積当たりの大量の細孔を示した。最後に、45ミクロン未満の塩を使用して得られた足場は、単位体積あたりの細孔の量が最も多かった。

細孔構造は、平均約20ミクロンの細孔サイズを示し、高度な相互接続と厚さ1ミクロン未満の非常に薄い壁を示しました。組み立てられた足場の形態は、3つの異なる平均細孔サイズを示す3つの明確に異なる層によって特徴付けられました。予想通り、各層は組み立てと浸出のステップ後も同じ細孔構造を維持しました。

はっきりと見てわかるように、デバイス全体には内部の劈開や、異なる層間のマトリックスの不連続性はありません。圧縮試験中に、サンプルの弾性率の低下が観察され、それぞれの平均細孔サイズが減少しました。ウェットコンディションでの試験では、弾性率が約10%減少しました。いずれにせよ、デバイスの全体的な機械的挙動は変わりませんでした。

3つの層状デバイスは、それぞれの最も弱い層の弾性率に匹敵する弾性率を示しました。このテストでは、骨折が3層構造のデバイスの最も弱い層の中央部で発生したため、層間剥離プロセスが観察されなかったことが強調されました。収集されたデータから、界面接着強度が最弱層の10サイズ強度よりも高いことが確認され、走査型電子顕微鏡分析で観察されたことを裏付けています。

結論として、この研究では、溶融混合、圧縮成形、および選択的浸出を組み合わせることにより、離散的な細孔径勾配を持つポリ乳酸ベースの分解性足場を開発しました。デバイスは、約70%の多孔性で相互接続された細孔構造を提示し、走査型電子顕微鏡分析によって確認されたように、溶融混合ステップで塩化ナトリウムの粒度を制御することにより、細孔サイズの予測可能性を示します。形態素解析により、3層の足場は、細孔サイズの異なるしっかりと固定された層によって特徴付けられることも示されました。

界面接着強度試験により、I層が層間剥離しない接着性が明らかになりました。