Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Facile и экологически чистый маршрут сфабриковать поли (молочная кислота) Строительные леса с градуированными Размер пор

8.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54595

⸱

17 октября 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of civil, environmental, aerospace, and materials engineering (DICAM), RU INSTM, University of Palermo

В этой статье

Краткое содержание

В этой работе каркасы из поли(молочной кислоты)/полиэтиленгликоля (PLA/PEG) были получены с использованием комбинации смешивания расплава и селективного выщелачивания. Рассмотренный здесь способ позволил разработать трехслойные каркасы за счет строгого контроля как пористости, так и размера пор. Механические свойства также оценивались в физиологической среде.

Аннотация

В последние годы функционально градуированные скаффолды (FGS) приобрели решающую роль в производстве устройств для тканевой инженерии. Важность этой новой области исследований биоматериалов обусловлена необходимостью разработки имплантатов, способных имитировать сложную функциональность различных тканей, включая непрерывное изменение одной структуры или состава на другую. В этом последнем контексте одна из тем, представляющих наибольший интерес, связана с проектированием подходящих каркасов для ткани костно-хрящевого интерфейса. В этом исследовании трехслойные каркасы с градуированным размером пор были получены путем смешивания из расплава полимолочной кислоты (PLA), хлорида натрия (NaCl) и полиэтиленгликоля (PEG). Распределение пор по размерам контролировали с помощью гранулометрии NaCl и сольватации ПЭГ. Скаффолды были охарактеризованы с морфологической и механической точек зрения. Обнаружена корреляция между методом препарирования, архитектурой пор и механическим поведением при сжатии. Прочность адгезии к границе раздела была количественно оценена с помощью специально разработанного испытания на межфазную прочность. Кроме того, для имитации физиологии человека были проведены механические испытания в растворе фосфатно-солевого буфера (PBS) при температуре 37 °C. Представленный здесь метод обеспечивает высокий контроль пористости, распределения пор по размерам и механических характеристик, тем самым предлагая возможность изготовления трехслойных скаффолдов с заданными свойствами по простому и экологически чистому пути.

Введение

Интерес к биоразлагаемым полимерам вырос в последние годы как в академических кругах, так и в промышленности, из-за растущей обеспокоенности по поводу пластиковых отходов и сокращения использования невозобновляемых источников1-7. В частности, биосовместимые и биоразлагаемые синтетические полимеры широко распространены в нескольких областях биомедицинского применения, таких как контролируемое высвобождение8,9, рассасывающиеся шовные нити8,10, интенсификация биопроцессов11 и тканевая инженерия12.

Тканевая инженерия фокусируется на разработке устройств, способных восстанавливать и поддерживать нормальную функцию в больных или поврежденных тканях. Большая часть нативных тканей состоит из различных типов клеток и внеклеточных матриц (ВКМ) в определенных пространственных иерархиях. Например, суставной хрящ (АС) состоит из различных зон с различными типами и ориентациями коллагеновых волокон и коллаген-связывающих белков. Более того, хрящи и кости демонстрируют существенно отличающиеся иерархические структуры. В этом контексте получение многослойных каркасов с инженерными свойствами в каждом слое может позволить заместить гетерогенные ткани с учетом всех локальных микроокружений этих сложных систем13,14.

Основываясь на клеточных/биологических и/или физико-химических характеристиках каркасов, основные стратегии, принятые тканевой инженерией, можно разделить на монофазные, двухфазные и трехфазные. Двухфазный и трехфазный подходы (БТА) используют две или три различные архитектуры пор, материалы или наполнители для получения многослойных функциональных устройств. Кроме того, один материал может быть использован для создания двухфазных или трехфазных устройств, при условии, что возможно создание градиента в его физических свойствах.

Миграция клеток играет ключевую роль в морфогенезе, воспалении, заживлении ран и метастазировании опухоли. Движение клеток стимулируется наличием градиента химико-физических свойств от поверхности к ядру устройства. Таким образом, биоматериалы, отвечающие рассмотренным выше требованиям, могут быть полезны при изучении миграции клеток. В дополнение к химическим градиентам, которые запускают миграцию клеток (хемотаксис), механические свойства субстрата клеточной культуры также могут приводить к перемещению клеток (механотаксис)15.

Многослойная структура также может обеспечить настраиваемое высвобождение специфических лекарств, включенных в полимерную матрицу, путем изменения конкретной площади слоя или количества загруженных лекарств.

За последнее десятилетие для разработки скаффолдов, обладающих дискретным или непрерывным градиентом морфологических свойств, таких как пористость или размер пор, было представлено несколько подходов16-31. Самые последние работы были посвящены получению BTA путем внедрения: выщелачивание частиц 12,28,32, метод газового вспенивания16, электроспиннинг17-19, метод послойного литья20, быстрое прототипирование21,22, термически индуцированное разделение фаз (TIPS)22, центрифугирование, сублимационная сушка24,25, тройная периодическая минимальная поверхность (TPMS)26, литье в литье27-30.

В рамках этой работы мы представляем быстрый и простой путь к получению трехслойных пористых скаффолдов (TLS) на основе PLA, сочетая смешивание расплава, компрессионное формование и выщелачивание соли. В отличие от большинства технологий, обычно используемых для производства скаффолдов, принятую здесь стратегию можно считать полностью экологичной, поскольку она не требует токсичного растворителя, потенциально опасного для окружающей среды, а также для живых клеток итканей. Основные взаимосвязи «процесс-структура-свойства», установленные в этом исследовании путем анализа как морфологических особенностей, так и механического поведения изготовленных устройств, служат руководством для будущих достижений в проектировании многофункциональных градуированных скаффолдов с определенными целевыми свойствами.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Эшафот Fabrication

  1. Измельчите NaCl в лабораторном смесителе в течение 20 мин и высушить его на нагреватель при 100 ° С.
  2. Помещенный высушенного NaCl (45 г в момент времени) в просеивание в течение 30 минут при самой высокой возможной частоты без происходящих в резонансе. Сбор шесть солевые фракций, в пределах от 500 мкм до 1000 мкм (М 500); от 300 мкм до 500 мкм (М 300); от 100 мкм до 200 мкм (М 100); от 90 мкм до 100 (М 90); от 45 мкм до 65 мкм (М 45) и , наконец , M 10 с содержанием соли частиц размером менее 45 мкм , как схематизированы на рисунке 1.
  3. Вакуум высохнуть в течение ночи все материалы, с тем чтобы избежать гидролитического расщепления во время обработки. Для каждого материала, выбрать температуру, чтобы максимизировать степень сушки без преодоления - в случае полимеров - перехода стекла. Таким образом, выбор T = 90 ° C для PLA и Т = 25 ° C для PEG, Т = 105 ° С в течение NaCl.
  4. КормPLA, ПЭГ и NaCl, с весовой процент состава 20/5/75 соответственно, к эксплуатации смеситель периодического действия при Т = 190 ° С и п = 60 оборотов в минуту и ​​затем обработать их до достижения постоянного значения крутящего момента, как правило, после того, как о 10 минут. После этого, быстро собрать полученный материал.
  5. Подготовьте монослоя с помощью лабораторного пресс, работающий при температуре 210 ° С, положить смесей в соответствующих цилиндрических формах с диаметром 10 мм и высотой 3 мм и держать их в течение 60 секунд при давлении окружающей среды и 3 мин при давлении 180 бар , После охлаждения смеси при комнатной температуре, поддерживая давление 180 бар.
  6. Сборка из трех слоев с помощью компрессионного формования
    1. Подготовка каждого один слой таким же образом, что и описанный в (1.5), но с использованием различных форм, т.е., имеющий диаметр 10 мм и высотой 1 мм. И, наконец, получить 6 дисков, имеющих диаметр 10 мм и высотой 1 мм, содержащий шесть различных размеров частиц: М 500, М 300, М 100,
    2. FoR сборки трехслойный подмости А (TLS-А), накопиться M 500, M 300 и M 100 внутри цилиндрической формы и компрессионного формования их в лабораторной пресс, работающий при температуре 210 ° С в течение 60 с при давлении окружающей среды и 3 минуты при 180 бар и затем охлаждают при комнатной температуре, поддерживая давление 180 бар.
      Примечание: Подготовка TSL B путем укладки друг на друга М 90, М 45 и М 10 в тех же пресс-форм и проведения спрессованных операции, следуя той же процедуре, что используется для TLS А.
  7. Удалите диски из цилиндрических пресс-форм и поместить их в кипящей деминерализованной водяной бане с, без перемешивания. 3 ч после того, как, уводит полученную пористую структуру из ванны и дайте им высохнуть в течение 12 часов при комнатной температуре в химическом колпаком.

2. морфологический анализ

  1. Оценка морфологией каркасах с помощью сканирующей электронной микроскопии.
    1. Ломайте образцы под жидким азотом, а затем прикрепитеОбразцы на алюминиевой заглушкой, используя клейкую ленту. углеродную Наконец, бормотать-Coate с золотом в течение 90 секунд в атмосфере аргона до визуализации во избежание электростатического разряда во время испытания.

3. Эшафот Размер пор

  1. Выработать изображения, полученные с помощью анализа SEM с программным обеспечением для обработки изображений, способного распознавать распределение пор по размерам эшафота.
    Примечание: В данной работе проведен анализ распределения пор по размерам был проведен с использованием MATLAB на основе программного обеспечения , ранее описанный 33

4. Пористость

  1. Взвесьте образцы перед выщелачиванием и оценить теоретическую пористость в соответствии со следующим выражением:
    figure-protocol-1
    Примечание: М NaCl, м PEG и м PLA, соответственно теоретическая масса NaCl, ПЭГ и ПЛА, в предположении однородных смесей. Tон плотности (ρ) из NaCl, ПЭГ и PLA соответственно 2,16 г / см 3, 1,12 г / см 3 е 1,24 г / см 3.
  2. Взвешивание образцов после промывки и сушки для того , чтобы оценить кажущуюся плотность образцов (ρ каркасных), а затем оценить реальную пористость в виде обратной величины соотношения между кажущейся плотности помост и плотности непористого PLA путем используя выражение (2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это выражает отношение между пустой объем строительных лесов и полного объема строительных лесов (пустой + полный).
    figure-protocol-2

5. Механические свойства

  1. Тестирование образцов в режиме сжатия с использованием разрывной машины, оснащенный 1 кН динамометр. Установить постоянную скорость деформации 1 мм мин -1.
  2. Для исследования механических характеристик образцов в физиологической среде, оборудовать dynamometeR с ванной, содержащей (PBS), (рН = 7,4) при температуре 37 ° С и проводили тест с той же установке, что и описанный в пункте 5.1.
    1. Перед каждым измерением во влажной среде, замочить образцы с PBS в вакуумной колбе, в течение 5 мин, чтобы позволить PBS заполнить все поры. После этого позволить каркасы остаться в PBS при 37 ° С в течение 15 мин, чтобы достичь заданной температуры.
  3. Определить межфазное прочность сцепления (IAS) между слоями TL A и TL B с помощью специально разработанной межфазное испытания на прочность оборудования, подключенного к механической испытательной машины следуя методике , описанной в литературе 32,34.
    1. Закрепите леску на буровой установке и обеспечить его правильное совмещение с тензодатчика и базовой плиты машины. Приложить образцы строительных лесов к испытанию алюминиевых заглушек с помощью клея высокой вязкости и поместить их в оборудование для тестирования.
    2. Для условия испытания мокрой, увлажняют образцы в PBS в течение 1 ч ПОИили для тестирования. С помощью 1 кН динамометрический элемент, под растягивающей нагрузкой , приложенной скорости деформации 1 мм мин -1.
      Примечание: Примите во внимание, что сбой может происходить либо на предел прочности на растяжение одного из слоев или из-за отслоения на границах раздела. Оценка МСФО в качестве максимальной прочности кривой напряженно-деформированного состояния.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Влияние NaCl размера частиц на поровой архитектуры каркасах оценивали качественно и количественно с помощью исследования морфологии образцов и расчета распределения пор по размерам методом анализа изображений, соответственно , рис 2а - е . Показывает SEM микрофотографии моно-слоистые каркасах в результате от соленого выщелачивания материалов, содержащих различные размеры частиц NaCl.

Более под...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Первый важный шаг заключается в оптимизации эффективности просеивания. Высокий контроль размера частиц NaCl является основой для подготовки строительных лесов с требуемым распределением пор по размерам. Другим важным шагом является избежать перелома тонких монослоев PLA во время извлечения образца из формы. Анализ обработки изображений не может быть представителем всего устройства.

Во время испытаний на растяжение, образец может оторваться от оборудования.

Перед ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Эта работа была финансово поддержана INSTM.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Поли(молочная кислота)NatureWorksPLA 2002D
Поли(этиленгликоль)Sigma83797-1KG-F
Хлорид натрияSigma793566-5KG-D
Фосфатный буферный растворSigmaP5368-10PAK
Лабораторный миксерBrabenderPLE 330 - Пластикзаказать
лабораторный прессCarver
Сканирующая электронная микроскопияPhenom-worldProX
Универсальная испытательная машинаInstron3365 (UK)
BioPuls BathInstron, Norwood
Sieving MachineEndecottsE.V.F.1.
Вакуумная печьISCONSV9035
Precision BalanceSartoriusAX224

Ссылки

  1. Scaffaro, R., Morreale, M., Lo Re, G., Mantia, F. P. La Degradation of Mater-Bi®/wood flour biocomposites in active sewage sludge. Polymer Degradation and Stability. 94 (8), 1220-1229 (2009).
  2. Scaffaro, R., Botta, L., Passaglia, E., Oberhauser, W., Frediani, M., Di Landro, L. Comparison of different processing methods to prepare poly(lactid acid)-hydrotalcite composites. Polymer Engineering & Science. 54 (8), 1804-1810 (2014).
  3. Thakur, V. K., Thakur, M. K. Recent advances in graft copolymerization and applications of chitosan: A review. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2 (12), 2637-2652 (2014).
  4. Thakur, V. K., Thakur, M. K. Recent advances in green hydrogels from lignin: A review. International Journal of Biological Macromolecules. 72, 834-847 (2015).
  5. Thakur, V. K., Kessler, M. R. Self-healing polymer nanocomposite materials: A review. Polymer. 69, 369-383 (2015).
  6. Thakur, V. K., Thakur, M. K. Recent trends in hydrogels based on psyllium polysaccharide: a review. Journal of Cleaner Production. 82, 1-15 (2014).
  7. Voicu, S. I., Condruz, R. M., et al. Sericin Covalent Immobilization onto Cellulose Acetate Membrane for Biomedical Applications. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 4 (3), 1765-1774 (2016).
  8. Scaffaro, R., Botta, L., Sanfilippo, M., Gallo, G., Palazzolo, G., Puglia, A. M. Combining in the melt physical and biological properties of poly(caprolactone) and chlorhexidine to obtain antimicrobial surgical monofilaments. Applied Microbiology and Biotechnology. 97 (1), 99-109 (2013).
  9. Scaffaro, R., Maio, A., et al. Synthesis and self-assembly of a PEGylated-graphene aerogel. Composites Science and Technology. 128, 193-200 (2016).
  10. Scaffaro, R., Botta, L., Gallo, G., Puglia, A. M. Influence of Drawing on the Antimicrobial and Physical Properties of Chlorhexidine-Compounded Poly(caprolactone) Monofilaments. Macromolecular Materials and Engineering. 12 (300), 1268-1277 (2015).
  11. Scaffaro, R., Lopresti, F., et al. Effect of PCL/PEG-Based Membranes on Actinorhodin Production in Streptomyces coelicolor Cultivations. Macromolecular bioscience. 16 (5), 686-693 (2016).
  12. Scaffaro, R., Lopresti, F., Botta, L., Rigogliuso, S., Ghersi, G. Melt Processed PCL/PEG Scaffold With Discrete Pore Size Gradient for Selective Cellular Infiltration. Macromolecular Materials and Engineering. 301 (2), 182-190 (2016).
  13. Yousefi, A. -M., Hoque, M. E., Prasad, R. G. S. V., Uth, N. Current strategies in multiphasic scaffold design for osteochondral tissue engineering: A review. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 103 (7), 2460-2481 (2015).
  14. Gillette, B. M., Rossen, N. S., et al. Engineering extracellular matrix structure in 3D multiphase tissues. Biomaterials. 32 (32), 8067-8076 (2011).
  15. Seidi, A., Ramalingam, M., Elloumi-Hannachi, I., Ostrovidov, S., Khademhosseini, A. Gradient biomaterials for soft-to-hard interface tissue engineering. Acta Biomaterialia. 7 (4), 1441-1451 (2011).
  16. Son, J. S., Kim, S. G., et al. Hydroxyapatite/polylactide biphasic combination scaffold loaded with dexamethasone for bone regeneration. Journal of Biomedical Materials Research - Part A. 99 (4), 638-647 (2011).
  17. Sundararaghavan, H. G., Burdick, J. A. Gradients with depth in electrospun fibrous scaffolds for directed cell behavior. Biomacromolecules. 12 (6), 2344-2350 (2011).
  18. Zou, B., Liu, Y., Luo, X., Chen, F., Guo, X., Li, X. Electrospun fibrous scaffolds with continuous gradations in mineral contents and biological cues for manipulating cellular behaviors. Acta biomaterialia. 8 (4), 1576-1585 (2012).
  19. Nedjari, S., Schlatter, G., Hébraud, A. Thick electrospun honeycomb scaffolds with controlled pore size. Materials Letters. 142, 180-183 (2015).
  20. Yusong, P., Qianqian, S., Chengling, P., Jing, W. Prediction of mechanical properties of multilayer gradient hydroxyapatite reinforced poly(vinyl alcohol) gel biomaterial. Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials. 101 (5), 729-735 (2013).
  21. Kim, Y. B., Kim, G. Functionally graded PCL/β-TCP biocomposites in a multilayered structure for bone tissue regeneration. Applied Physics A: Materials Science and Processing. 108 (4), 949-959 (2012).
  22. Sudarmadji, N., Tan, J. Y., Leong, K. F., Chua, C. K., Loh, Y. T. Investigation of the mechanical properties and porosity relationships in selective laser-sintered polyhedral for functionally graded scaffolds. Acta biomaterialia. 7 (2), 530-537 (2011).
  23. Molladavoodi, S., Gorbet, M., Medley, J., Kwon, H. J. Investigation of microstructure, mechanical properties and cellular viability of poly(L-lactic acid) tissue engineering scaffolds prepared by different thermally induced phase separation protocols. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 17, 186-197 (2013).
  24. Oh, S. H., Kim, T. H., Il Im, G., Lee, J. H. Investigation of pore size effect on chondrogenic differentiation of adipose stem cells using a pore size gradient scaffold. Biomacromolecules. 11 (8), 1948-1955 (2010).
  25. Lin, L., Gao, H., Dong, Y. Bone regeneration using a freeze-dried 3D gradient-structured scaffold incorporating OIC-A006-loaded PLGA microspheres based on β-TCP/PLGA. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 26 (1), 3(2015).
  26. Yoo, D. Heterogeneous minimal surface porous scaffold design using the distance field and radial basis functions. Medical engineering & physics. 34 (5), 625-639 (2012).
  27. Soon, Y. -M., Shin, K. -H., Koh, Y. -H., Lee, J. -H., Choi, W. -Y., Kim, H. -E. Fabrication and compressive strength of porous hydroxyapatite scaffolds with a functionally graded core/shell structure. Journal of the European Ceramic Society. 31 (1-2), 13-18 (2011).
  28. Scaffaro, R., Lopresti, F., Botta, L., Maio, A. Mechanical behavior of Polylactic acid/Polycaprolactone porous layered functional composites. Composites Part B: Engineering. 98, 70-77 (2016).
  29. Halili, A. N., Hasirci, N., Hasirci, V. A multilayer tissue engineered meniscus substitute. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 25 (4), 1195-1209 (2014).
  30. Bai, H., Wang, D., et al. Biomimetic gradient scaffold from ice-templating for self-seeding of cells with capillary effect. Acta Biomaterialia. 20, 113-119 (2015).
  31. Algul, D., Sipahi, H., Aydin, A., Kelleci, F., Ozdatli, S., Yener, F. G. Biocompatibility of biomimetic multilayered alginate-chitosan/β-TCP scaffold for osteochondral tissue. International Journal of Biological Macromolecules. 79, 363-369 (2015).
  32. Scaffaro, R., Lopresti, F., Botta, L., Rigogliuso, S., Ghersi, G. Preparation of three-layered porous PLA/PEG scaffold relationship between morphology , mechanical behavior and cell permeability. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 54, 8-20 (2016).
  33. Lo Re, G., Lopresti, F., Petrucci, G., Scaffaro, R. A facile method to determine pore size distribution in porous scaffold by using image processing. Micron. 76, 37-45 (2015).
  34. Levingstone, T. J., Matsiko, A., Dickson, G. R., O'Brien, F. J., Gleeson, J. P. A biomimetic multi-layered collagen-based scaffold for osteochondral repair. Acta Biomaterialia. 10 (5), 1996-2004 (2014).
  35. Scaffaro, R., Botta, L., Maio, A., Mistretta, M. C., La Mantia, F. P. Effect of Graphene Nanoplatelets on the Physical and Antimicrobial Properties of Biopolymer-Based Nanocomposites. Materials. 9 (5), 351(2016).
  36. Maio, A., Fucarino, R., Khatibi, R., Rosselli, S., Bruno, M., Scaffaro, R. A novel approach to prevent graphene oxide re-aggregation during the melt compounding with polymers. Composites Science and Technology. 119, 131-137 (2015).
  37. Maio, A., Agnello, S., et al. A rapid and eco-friendly route to synthesize graphene-doped silica nanohybrids. Journal of Alloys and Compounds. 664, 428-438 (2015).
  38. Maio, A., Giallombardo, D., Scaffaro, R., Piccionello, A. P., Pibiri, I. Synthesis of a fluorinated graphene oxide-silica nanohybrid: improving oxygen affinity. RSC Advances. 6 (52), 46037-46047 (2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Смешивание в расплавекомпрессионное формованиевымывание солисканирующая электронная микроскопиямеханические испытанияфосфатно-солевой буферный растворпрочность межфазной адгезиираспределение пор по размеру
Facile и экологически чистый маршрут сфабриковать поли (молочная кислота) Строительные леса с градуированными Размер пор
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.