تصنيع يستند إلى PCL النشطة بيولوجيا، "تركيب الذاتي" الشكل الذاكرة البوليمرات سقالة
Summary
Scaffolds capable of fitting within cranio-maxillofacial (CMF) bone defects while exhibiting osteoconductivity and bioactivity are of interest. This protocol describes the preparation of a shape memory scaffold based on polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method employing a fused salt template and application of a bioactive polydopamine coating.
Abstract
Tissue engineering has been explored as an alternative strategy for the treatment of critical-sized cranio-maxillofacial (CMF) bone defects. Essential to the success of this approach is a scaffold that is able to conformally fit within an irregular defect while also having the requisite biodegradability, pore interconnectivity and bioactivity. By nature of their shape recovery and fixity properties, shape memory polymer (SMP) scaffolds could achieve defect “self-fitting.” In this way, following exposure to warm saline (~60 ºC), the SMP scaffold would become malleable, permitting it to be hand-pressed into an irregular defect. Subsequent cooling (~37 ºC) would return the scaffold to its relatively rigid state within the defect. To meet these requirements, this protocol describes the preparation of SMP scaffolds prepared via the photochemical cure of biodegradable polycaprolactone diacrylate (PCL-DA) using a solvent-casting particulate-leaching (SCPL) method. A fused salt template is utilized to achieve pore interconnectivity. To realize bioactivity, a polydopamine coating is applied to the surface of the scaffold pore walls. Characterization of self-fitting and shape memory behaviors, pore interconnectivity and in vitro bioactivity are also described.
Introduction
تعتبر حاليا معيار الذهب من القحف-الوجه والفكين (CMF) علاجات خلل العظام، وأعاقت زرع الطعوم ذاتي تحصد إجراءات التطعيم معقدة، موقع المانحة الاعتلال ومحدودية 1. وثمة صعوبة معينة يتم تشكيل وتحديد الطعم الذاتي جامدة بإحكام في عيب من أجل الحصول على الاندماج العظمي ومنع الكسب غير المشروع ارتشاف. وقد تم التحقيق هندسة الأنسجة كاستراتيجية بديلة لتطعيم ذاتي وبدائل العظام الاصطناعية (مثل الاسمنت العظام) 2،3. حاسمة لنجاح نهج هندسة الأنسجة هو سقالة مع مجموعة محددة من خصائص. أولا، من أجل تحقيق الاندماج العظمي، يجب على سقالة تشكيل اتصال وثيق مع أنسجة العظام المجاورة (4). وينبغي أيضا أن يكون سقالة عظمي، والسماح الهجرة الخلية، نشر المغذيات وneotissue ترسب 4،5. ويتحقق هذا السلوك عادة مع هيئة السلع التموينية القابلة للتحللffolds اظهار التشكل المسام مترابطة للغاية. وأخيرا، يجب أن يكون سقالة النشطة بيولوجيا وذلك لتعزيز التكامل والترابط مع الأنسجة المحيطة عظم 5.
هنا، نقدم بروتوكول لإعداد سقالة هندسة الأنسجة مع هذه الخصائص. الأهم من ذلك، هذا سقالة المعارض القدرة على "صالح الذاتي" إلى عيوب CMF غير النظامية بسبب شكل السلوك الذاكرة 6. ومن المعروف أن البوليمرات الذاكرة شكل Thermoresponsive (SMPS) للخضوع لتغيير الشكل عند التعرض للحرارة 7،8. وتتألف المكاتب الصغيرة من "netpoints" (أي مادة كيميائية أو crosslinks المادية) التي تحدد شكل دائم و "شرائح التحول" التي تحافظ على شكل مؤقت واستعادة شكل دائم. شرائح التبديل يحمل درجة الحرارة الحرارية التي تمر بمرحلة انتقالية (T العابرة) الموافق إما التحول الزجاجي (T ز) أو تذوب الانتقالية (T م) من البوليمر. مثلنتيجة لذلك، المكاتب الصغيرة قد تكون مشوهة بالتتابع في شكل مؤقت في T> T العابرة، ثابتة في شكل مؤقت في T <T العابرة، واستعاد لشكل دائم في T> T العابرة. وهكذا، يمكن للسقالة SMP تحقيق "ذاتيا المناسب" في غضون عيب CMF كما يلي 6. بعد التعرض لتسخين المياه المالحة (T> T العابرة)، سقالة SMP سوف تصبح طيعة، والسماح أسطواني سقالة مستعدة بشكل عام لتكون إلى خلل وعدم انتظام لضغوط ناحية، مع شكل الانتعاش والعمل على توسيع السقالة إلى حد العيب. على التبريد (T <T العابرة)، فإن سقالة يعود إلى حالته أكثر جمودا نسبيا، مع شكل ثبات الحفاظ على شكله مؤقت جديد داخل هذا العيب. في هذا البروتوكول، ويتم إعداد سقالة SMP من polycaprolactone (PCL)، بوليمر قابلة للتحلل ودرس على نطاق واسع لتجديد الأنسجة والتطبيقات الطبية الحيوية الأخرى 9-11. للذاكرة الشكل، عشره T م PCL بمثابة T عبر وتتراوح ما بين 43 و 60 درجة مئوية، اعتمادا على الوزن الجزيئي للPCL 12. في هذا البروتوكول، وT العابرة (أي T م) من سقالة هو 56.6 ± 0.3 درجة مئوية 6.
من أجل تحقيق osteoconductivity، تم وضع بروتوكول لجعل السقالات SMP استنادا PCL مع المسام مترابطة إلى حد كبير على أساس طريقة الصب المذيبات الجسيمات الرشح (SCPL) 6،13،14. وقد استخدمت diacrylate Polycaprolactone (PCL-DA) (M ن = ~ 10000 جم / مول) للسماح السريع، يشابك الضوئي وحلت في ثنائي كلورو ميثان (DCM) للسماح المذيبات الصب على مدى قالب الملح. وبعد العلاج الضوئي وتبخر المذيبات، تم إزالة قالب الملح الارتشاح في المياه. متوسط حجم الملح ينظم حجم سقالة المسام. الأهم من ذلك، وتنصهر في قالب الملح بالماء قبل الصب مذيب لتحقيق المسام interconnectiviتاي.
تم اضفاء النشاط الحيوي للسقالة SMP من قبل في تشكيل الموقع من طلاء polydopamine على مسام الجدران 6. وغالبا ما قدم النشاط الحيوي في السقالات بإدراج الزجاج أو السيراميك والزجاج الحشو 15. ومع ذلك، وهذه قد تؤدي إلى الخواص الميكانيكية هشة غير المرغوب فيها. وقد تبين الدوبامين لتشكيل طبقة رقيقة ملتصقة polydopamine على مجموعة متنوعة من ركائز 16-19. في هذا البروتوكول، تعرض السقالة SMP إلى الحل الأساسي قليلا (درجة الحموضة = 8.5) الدوبامين لتشكيل طلاء nanothick من polydopamine على جميع الأسطح جدار المسام 6. بالإضافة إلى تعزيز hydrophilicity السطح لتحسين التصاق الخلية والانتشار، وقد تبين polydopamine أن يكون النشطة بيولوجيا من حيث تشكيل هيدروكسيباتيت (هاب) عند التعرض لمحاكاة السوائل في الجسم (SBF) 18،20،21. في الخطوة الأخيرة، يتعرض السقالة المغلفة للحرارة العلاج في 85 درجة مئوية (T> T العابرة) WHالتراث الثقافي غير المادي يؤدي إلى سقالة التكثيف. ولوحظ المعالجة الحرارية في السابق على أنها ضرورية للسلوك ذاكرة شكل سقالة، وربما يرجع ذلك إلى مجالات البلورية PCL إعادة تنظيم لأقرب القرب 14.
نحن بالإضافة إلى ذلك وصف الطرق لوصف السلوك المناسب الذاتي ضمن عيب نموذج غير النظامية، وتشكيل السلوك الذاكرة من حيث دوري الحرارية اختبارات الضغط الميكانيكي التي تسيطر عليها سلالة (أي شكل الانتعاش وتشكيل ثبات)، المسام التشكل، والنشاط الحيوي في المختبر. وتعرض أيضا استراتيجيات لتفصيل خصائص السقالة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول إعداد، سقالة استنادا PCL-المغلفة polydopamine التي السلوك المناسب النفس، وكذلك osteoinductivity والنشاط الحيوي، يجعل من الفائدة في علاج عدم انتظام عيوب العظام CMF. قد يتم تغيير جوانب البروتوكول لتغيير ملامح مختلفة سقالة.
بروت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أشكر تكساس A & M جامعة الهندسة وتجربة محطة (تيز) للحصول على الدعم المالي لهذا البحث. ليندساي الأظافر بامتنان بدعم من تكساس A & M جامعة لويس ستوكس التحالف من أجل مشاركة الأقليات (LSAMP) ومؤسسة العلوم الوطنية (NSF) خريج برنامج زمالة أبحاث (GRFP). داوي تشانغ يشكر جامعة زمالة أطروحة تكساس A & M.
Materials
| Polycaprolactone-diol (Mn ~ 10,000 g/mol) | Sigma-Aldrich | 440752 | |
| Dichloromethane (DCM) | Sigma-Aldrich | D65100 | Dried over 4A molecular sieves |
| 4-dimethylaminopyridine (DMAP) | Sigma-Aldrich | D5640 | |
| Triethylamine (Et3N) | Sigma-Aldrich | T0886 | |
| Acryloyl chloride | Sigma-Aldrich | A24109 | |
| Ethyl Acetate | Sigma-Aldrich | 319902 | |
| Potassium Carbonate (K2CO3) | Sigma-Aldrich | 209619 | |
| Anhydrous magnesium sulfate (MgSO4) | Fisher | M65 | |
| Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| 2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone (DMP) | Sigma-Aldrich | 196118 | |
| 1-vinyl-2-pyrrolidinone (NVP) | Sigma-Aldrich | V3409 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 459844 | |
| Dopamine Hydrochloride | Sigma-Aldrich | H8502 | |
| Tris buffer (2mol/L) | Fisher | BP1759 | Used at 10 mM concentration, pH = 8.5 |
| Sieve | VWR | 47729-972 | |
| UV-Transilluminator (365 nm, 25 W) | UVP | 95-0426-02 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | |
| Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) | TA Instruments | Q800 | |
| High Resolution Sputter Coater | Cressington | 208HR | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | FEI | Quanta 600 |
References
- Neovius, E., Engstrand, T. Craniofacial reconstruction with bone and biomaterials: review over the last 11 years. J Plast Reconstr Aesthet Surg. 63, 1615-1623 (2010).
- Elsalanty, M. E., Genecov, D. G. Bone grafts in craniofacial surgery. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2, 125-134 (2009).
- Hollister, S. J., et al. Engineering craniofacial scaffolds. Orthod Craniofacial Res. 8, 162-173 (2005).
- Albrektsson, T., Johansson, C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. Eur Spine J. 10, S96-S101 (2001).
- Blokhuis, T. J., Arts, J. J. C. Bioactive and osteoinductive bone graft substitutes: Definitions, facts and myths. Injury. 42, S26-S29 (1016).
- Zhang, D., et al. A bioactive “self-fitting” shape memory polymer scaffold with potential to treat cranio-maxillo facial bone defects. Acta Biomater. 10, 4597-4605 (2014).
- Lendlein, A., Kelch, S. Shape-memory polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 2034-2057 (2002).
- Hu, J., Zhu, Y., Huang, H., Lu, J. Recent advances in shape-memory polymers: Structure, mechanism, functionality, modeling and applications. Prog Polym Sci. 37, 1720-1763 (2012).
- Middleton, J. C., Tipton, A. J. Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices. Biomaterials. 21, 2335-2346 (2000).
- Sun, H., Mei, L., Song, C., Cui, X., Wang, P. The in vivo degradation, absorption and excretion of PCL-based implant. Biomaterials. 27, 1735-1740 (2006).
- Woodruff, M. A., Hutmacher, D. W. The return of a forgotten polymer-Polycaprolactone in the 21st century. Prog Polym Sci. 35, 1217-1256 (2010).
- Wang, S., Lu, L., Gruetzmacher, J. A., Currier, B. L., Yaszemski, M. J. Synthesis and characterizations of biodegradable and crosslinkable poly(ε-caprolactone fumarate), poly(ethylene glycol fumarate), and their amphiphilic copolymer. Biomaterials. 27, 832-841 (2006).
- Zhang, D., Petersen, K. M., Grunlan, M. A. Inorganic-organic shape memory polymer (SMP) foams with highly tunable properties. ACS Appl Mater Interfaces. 5, 186-191 (2012).
- Zhang, D., Burkes, W. L., Schoener, C. A., Grunlan, M. A. Porous inorganic-organic shape memory polymers. Polymer. 53, 2935-2941 (2012).
- Van der Stok, J., Van Lieshout, E. M., El-Massoudi, Y., Van Kralingen, G. H., Patka, P. Bone substitutes in the Netherlands-a systematic literature review. Acta Biomater. 7, 739-750 (2011).
- Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318, 426-430 (2007).
- Hong, S., et al. Non-covalent self-assembly and covalent polymerization co-contribute to polydopamine formation. Adv Funct Mater. 22, 4711-4717 (2012).
- Ryu, J., Ku, S. H., Lee, H., Park, C. B. Mussel-inspired polydopamine coating as a universal route to hydroxyapatite crystallization. Adv Funct Mater. 20, 2132-2139 (2010).
- Lee, Y. B., et al. Polydopamine-mediated immobilization of multiple bioactive molecules for the development of functional vascular graft materials. Biomaterials. 33, 8343-8352 (2012).
- Wu, C., Fan, W., Chang, J., Xiao, Y. Mussel-inspired porous SiO 2 scaffolds with improved mineralization and cytocompatibility for drug delivery and bone tissue engineering. J Mater Chem. 21, 18300-18307 (2011).
- Ku, S. H., Ryu, J., Hong, S. K., Lee, H., Park, C. B. General functionalization route for cell adhesion on non-wetting surfaces. Biomaterials. 31, 2535-2541 (2010).
- Schoener, C. A., Weyand, C. B., Murthy, R., Grunlan, M. A. Shape memory polymers with silicon-containing segments. J Mater Chem. 20, 1787-1793 (2010).
- Zhang, D., Giese, M. L., Prukop, S. L., Grunlan, M. A. Poly(ε-caprolactone)-based shape memory polymers with variable polydimethylsiloxane soft segment lengths. J Polym Sci Pol Chem. 49, 754-761 (2011).
- Kokubo, T., Takadama, H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity. Biomaterials. 27, 2907-2915 (2006).
- Murphy, W. L., Dennis, R. G., Kileny, J. L., Mooney, D. J. Salt fusion: an approach to improve pore interconnectivity within tissue engineering scaffolds. Tissue Eng. 8, 43-52 (2002).
- Yang, Q., Chen, L., Shen, X., Tan, Z. Preparation of polycaprolactone tissue engineering scaffolds by improved solvent casting/particulate leaching method. J Macromol Sci Phys. 45, 1171-1181 (2006).
- Madbouly, S. A., Kratz, K., Klein, F., Lüzow, K., Lendlein, A. Thermomechanical behaviour of biodegradable shape-memory polymer foams. 1190, (2009).
- Luo, X., Mather, P. T. Preparation and characterization of shape memory elastomeric composites. Macromolecules. 42, 7251-7253 (2009).
- Lendlein, A., Schmidt, A. M., Langer, R. AB-polymer networks based on oligo(ɛ-caprolactone) segments showing shape-memory properties. Proc Natl Acad Sci. 98, 842-847 (2001).
