$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Obecnie uważany za złoty standard leczenia ubytków kostno-czaszkowo-szczękowo-twarzowych (CMF), przeszczep pobranych autologicznych przeszczepów jest utrudniony przez skomplikowane procedury przeszczepów, chorobowość miejsca dawczego i ograniczoną dostępność1. Szczególną trudnością jest uformowanie i zamocowanie sztywnego autoprzeszczepu w ubytku w celu uzyskania osteointegracji i zapobieżenia resorpcji przeszczepu. Inżynieria tkankowa została zbadana jako strategia alternatywna dla autoprzeszczepu i syntetycznych substytutów kości (np. cementu kostnego)2,3. Kluczowe znaczenie dla powodzenia podejścia opartego na inżynierii tkankowej ma rusztowanie o określonym zestawie właściwości. Po pierwsze, aby osiągnąć osteointegrację, rusztowanie musi utrzymywać ścisły kontakt z sąsiednią tkanką kostną4. Rusztowanie powinno być również osteokondukcyjne, co pozwala na migrację komórek, dyfuzję składników odżywczych i odkładanie się tkanek nowotworowych4,5. Takie zachowanie jest zwykle osiągane za pomocą biodegradowalnych rusztowań wykazujących wysoce połączoną morfologię porów. Wreszcie, rusztowanie powinno być bioaktywne, aby sprzyjać integracji i wiązaniu z otaczającą tkanką kostną5.
Tutaj prezentujemy protokół przygotowania rusztowania inżynierii tkankowej o tych właściwościach. Co ważne, rusztowanie to wykazuje zdolność do "samodopasowywania się" do nieregularnych defektów CMF ze względu na zachowanie pamięci kształtu6. Wiadomo, że termoczułe polimery z pamięcią kształtu (SMP) zmieniają kształt pod wpływem ciepła7,8. SMP składają się z "punktów sieciowych" (tj. chemicznych lub fizycznych wiązań poprzecznych), które określają trwały kształt, oraz "segmentów przełączających", które utrzymują tymczasowy kształt i przywracają stały kształt. Segmenty przełączające wykazują temperaturę przemiany termicznej (Ttrans) odpowiadającą przemianie szklistej (Tg) lub przemianie stopionej (Tm) polimeru. W rezultacie, SMP mogą być sekwencyjnie deformowane do kształtu tymczasowego w T > Ttrans, utrwalane w kształcie tymczasowym w T < Ttrans i odzyskiwane do trwałego kształtu w T > Ttrans. W ten sposób rusztowanie SMP może osiągnąć "samodopasowanie" w obrębie wady CMF w następujący sposób6. Po wystawieniu na działanie ciepłej soli fizjologicznej (T > Ttrans) rusztowanie SMP stałoby się plastyczne, co pozwoliłoby na ręczne wciśnięcie ogólnie przygotowanego cylindrycznego rusztowania w nieregularną wadę, przy czym odzyskiwanie kształtu sprzyja rozszerzaniu się rusztowania do granicy wady. Po schłodzeniu (T < Ttrans) rusztowanie powróciłoby do swojego stosunkowo bardziej sztywnego stanu, z niestałością kształtu zachowującą swój nowy tymczasowy kształt w obrębie defektu. W tym protokole rusztowanie SMP jest przygotowywane z polikaprolaktonu (PCL), biodegradowalnego polimeru intensywnie badanego pod kątem regeneracji tkanek i innych zastosowań biomedycznych9-11. W przypadku pamięci kształtu, TM PCL służy jako Ttrans i waha się od 43 do 60 ºC, w zależności od masy cząsteczkowej PCL12. W tym protokole Ttrans (tj. Tm) rusztowania wynosi 56,6±0,3 ºC6.
W celu osiągnięcia osteoprzewodnictwa, opracowano protokół do tworzenia rusztowań SMP opartych na PCL z wysoce połączonymi porami, opartych na metodzie wymywania cząstek stałych metodą odlewania rozpuszczalnikiem (SCPL)6,13,14. Diakrylan polikaprolaktonu (PCL-DA) (Mn = ~ 10 000 g/mol) został wykorzystany do umożliwienia szybkiego, fotochemicznego sieciowania i rozpuszczony w dichlorometanie (DCM), aby umożliwić odlewanie rozpuszczalnikiem na matrycy solnej. Po utwardzeniu fotochemicznym i odparowaniu rozpuszczalnika, matryca soli została usunięta przez wypłukanie do wody. Średnia wielkość soli reguluje wielkość porów rusztowania. Co ważne, matryca soli została stopiona z wodą przed odlaniem rozpuszczalnikiem, aby uzyskać wzajemne połączenie porów.
Bioaktywność została przekazana rusztowaniu SMP poprzez tworzenie in situ powłoki polidopaminowej na ściankach porów6. Bioaktywność jest często wprowadzana do rusztowań poprzez włączenie wypełniaczy szklanych lub szklano-ceramicznych15. Mogą one jednak powodować niepożądane kruche właściwości mechaniczne. Wykazano, że dopamina tworzy przylegającą, cienką warstwę polidopaminy na różnych podłożach16-19. W tym protokole rusztowanie SMP poddano lekko zasadowemu roztworowi dopaminy (pH = 8,5) w celu utworzenia nanogrubej powłoki polidopaminy na wszystkich powierzchniach ścian porów6. Oprócz zwiększania hydrofilowości powierzchni w celu poprawy adhezji i rozprzestrzeniania się komórek, wykazano, że polidopamina jest bioaktywna pod względem tworzenia hydroksyapatytu (HAp) po ekspozycji na symulowany płyn ustrojowy (SBF)18,20,21. W ostatnim etapie rusztowanie powlekane jest poddawane obróbce cieplnej w temperaturze 85 ºC (T >T trans), co prowadzi do zagęszczenia rusztowania. Wcześniej zauważono, że obróbka cieplna jest niezbędna dla zachowania pamięci kształtu rusztowania, być może ze względu na reorganizację domen krystalicznych PCL w celu zbliżenia się do bliższej odległości14.
Dodatkowo opisujemy metody charakteryzowania zachowania samodopasowania w obrębie nieregularnego defektu modelu, zachowania pamięci kształtu w kategoriach kontrolowanych przez szczep cykliczno-termicznych testów mechanicznej kompresji (tj. odzyskiwania kształtu i stałości kształtu), morfologii porów i bioaktywności in vitro. Przedstawiono również strategie dostosowywania właściwości rusztowań.