Fremstilling af et bioaktivt, PCL-baserede "Self-montering" formhukommelse polymerskelet
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
I øjeblikket betragtes som den gyldne standard for kranio-maxillofacial (CMF) knogle defekt behandlinger, er transplantation af høstede autologe podninger hindres af komplekse podning procedurer donor websted sygelighed og begrænset tilgængelighed 1. Et særligt problem er at forme og af stive autograft stramt i defekten for at opnå osseointegration og for at forhindre graft resorption. Tissue engineering er blevet undersøgt som en alternativ strategi til at selvpodning og syntetiske knogle substitutter (f.eks bone cement) 2,3. Afgørende for succes af et væv engineering tilgang er et stillads med et bestemt sæt af egenskaber. Først, med henblik på at opnå osseointegration, skal stilladset danne tæt kontakt med tilstødende knoglevæv 4. Stilladset skal også være osteokonduktiv, tillader celle migration, næringsstof diffusion og neotissue deposition 4,5. Denne adfærd er generelt opnås med biologisk nedbrydelig scaffolds udviser en høj grad indbyrdes forbundne pore morfologi. Endelig bør skafottet være bioaktive for at fremme integration og limning med omgivende knoglevæv 5.
Her præsenterer vi en protokol til at forberede en vævsteknologi stillads med disse egenskaber. Det er vigtigt, dette stillads udviser evnen til at "self-fit" i uregelmæssige CMF fejl på grund af dens formhukommelse adfærd 6. Termoresponsiv polymerer med formhukommelse (SMPS) vides at undergå formændring ved udsættelse for varme 7,8. SMP'er består af "NETPoints" (dvs. kemiske eller fysiske tværbindinger), som bestemmer den permanente form og "Skift segmenter", som opretholder den midlertidige form og inddrive den permanente form. Kontaktelementerne segmenter udviser en termisk overgangstemperatur (T trans) svarende til enten glasovergangen (Tg) eller smelte overgangen (T m) af polymeren. Somet resultat, kan SMP'er sekventielt deformeres til en midlertidig form ved T> T trans, der er fastsat i den midlertidige form ved T <T trans, og udvindes til den permanente form ved T> T trans. Således kunne en SMP stillads opnå "self-fitting" inden for en CMF defekt som følger 6. Efter udsættelse for varme saltvand (T> T trans), ville en SMP stillads blive plastisk, tillader en generisk forberedt cylindrisk stillads til at være hånd-presses ind en uregelmæssig defekt, med formen genvinding fremme udbygning af stilladset til defekten grænse. Efter afkøling (T <T trans), ville stilladset vende tilbage til sin relativt mere stiv tilstand med hensyn til form uforanderlighed bevare sin nye midlertidige form i defekten. I denne protokol, er en SMP stillads fremstillet af polycaprolacton (PCL), en biologisk nedbrydelig polymer studeret grundigt i vævsregeneration og andre biomedicinske anvendelser 9-11. For formhukommelse, the Tm af PCL fungerer som T trans og varierer mellem 43 og 60 ° C, afhængigt af molekylvægten af PCL 12. I denne protokol, T trans (dvs. T m) af stilladset er 56,6 ± 0,3 ºC 6.
For at opnå osteokonduktivitet blev en protokol udviklet til at PCL-baserede scaffolds SMP med tæt forbundne porer baseret på et opløsningsmiddel-casting partikelformet-udvaskning (SCPL) metode 6,13,14. Polycaprolacton diacrylat (PCL-DA) (M n = ~ 10.000 g / mol) blev anvendt til at tillade hurtig, fotokemisk tværbinding og blev opløst i dichlormethan (DCM) for at tillade opløsningsmiddel-støbning over salt skabelon. Efter fotokemisk hærdning og fordampning af opløsningsmidlet blev saltet skabelon fjernes ved udvaskning i vand. Den gennemsnitlige størrelse salt regulerer stillads porestørrelse. Vigtigt er det, blev saltet skabelon fusioneret med vand før opløsningsmiddel-casting for at opnå pore interconnectivity.
Bioaktivitet blev bibragt SMP stilladset ved in situ dannelse af en belægning på polydopamine porevæggene 6. Bioaktivitet ofte indføres i stilladser ved inklusion af glas eller glaskeramiske fyldstoffer 15. Imidlertid kan disse give anledning til uønskede sprøde mekaniske egenskaber. Dopamin er blevet vist at danne en klæbende, tyndt polydopamine lag på en række substrater 16-19. I denne protokol, blev SMP stillads udsættes for en svagt basisk opløsning (pH = 8,5) af dopamin til at danne en nanothick belægning af polydopamine på alle pore vægflader 6. Ud over at øge overfladehydrofilicitet for forbedret celleadhæsion og spredning, er polydopamine vist sig at være bioaktiv med hensyn til dannelsen af hydroxyapatit (HAP) ved udsættelse for simuleret kropsvæske (SBF) 18,20,21. I et sidste trin, er det overtrukne stillads udsættes for varmebehandling ved 85 ° C (T> T trans) WHich fører til stillads fortætning. Varmebehandling blev tidligere bemærket at være afgørende for stillads formhukommelse adfærd, måske på grund af PCL krystallinske domæner omorganisere til tættere 14.
Vi har desuden beskrive de metoder til at karakterisere selv-montering adfærd inden en uregelmæssig model defekt, forme hukommelse adfærd i form stamme-kontrollerede cyklisk-termiske mekanisk kompression test (dvs. form opsving og forme fasthed), pore morfologi, og in vitro bioaktivitet. Strategier at skræddersy stillads egenskaber præsenteres også.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver fremstilling af en polydopamine-coated, PCL-baserede stillads, hvis selv-montering adfærd, samt osteoinductivity og bioaktivitet, gør det af interesse i behandlingen af uregelmæssige CMF knogledefekter. Aspekter af protokollen kan ændres for at ændre forskellige stillads funktioner.
Protokollen begynder med acrylering af en PCL-diol at tillade UV hærdning. I den rapporterede eksempel PCL-diol Mn er ~ 10.000 g / mol. Men ved passende justering a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Texas A & M University Engineering og Experiment Station (TEES) om økonomisk støtte af denne forskning. Lindsay Nail taknemmeligt anerkender støtte fra Texas A & M University Louis Stokes Alliance for Minority Deltagelse (LSAMP) og National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship Program (GRFP). Dawei Zhang takker Texas A & M University afhandling fællesskab.
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).
