Изготовление биоактивными, PCL основе "Self-установки" памятью формы полимеров Scaffold

1Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University, 2Department of Material Science and Engineering, Texas A&M University, 3Institute of Advanced Materials and Technology, University of Science & Technology Beijing
Published 10/23/2015
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Nail, L. N., Zhang, D., Reinhard, J. L., Grunlan, M. A. Fabrication of a Bioactive, PCL-based "Self-fitting" Shape Memory Polymer Scaffold. J. Vis. Exp. (104), e52981, doi:10.3791/52981 (2015).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

В настоящее время считается золотым стандартом черепно-челюстно-лицевой (CMF) костный дефект лечения, трансплантация аутологичных добываемых трансплантатов затруднено сложными процедурами прививки, донор сайте заболеваемости и ограниченная доступность 1. Особая сложность формирует и фиксации жесткого аутотрансплантата плотно в дефект, чтобы получить остеоинтеграции и предотвратить резорбцию трансплантата. Тканевая инженерия была исследована в качестве альтернативной стратегии, чтобы аутотрансплантации и синтетических заменителей кости (например, кости цемент) 2,3. Решающее значение для успеха тканевой инженерии подхода является каркас с определенным набором свойств. Во-первых, для достижения остеоинтеграции, подмости должны образовывать тесные контакты с рядом костной ткани 4. Леса должны быть остеокондуктивный, позволяя миграцию клеток, питательную диффузии и neotissue 4,5 осаждения. Такое поведение, как правило, достигается с биоразлагаемой SCAffolds демонстрируя высокую взаимосвязанную морфологию пор. Наконец, каркас должен быть биологически активным, с тем чтобы содействовать интеграции и связей с окружающей костной ткани 5.

Здесь мы приводим протокол для подготовки тканевой инженерии эшафот с этими свойствами. Важно отметить, что это эшафот проявляет способность к "само-подходят" в нерегулярных CMF дефекты, связанные с его поведением с памятью формы 6. Thermoresponsive полимеры с памятью формы (SMPS), как известно, проходят под воздействием изменения формы, чтобы нагреть 7,8. У SMP состоят из "netpoints» (то есть химических или физических сшивок), которые определяют постоянную форму и "переключение" сегменты, которые поддерживают временную форму и восстановить постоянную форму. Сегменты переключения проявляют тепловой температуру перехода (Т транс), соответствующую либо стеклования (T G) или переход (Т м) в расплав полимера. В видерезультат, бухгалтерские фирмы может быть последовательно деформированы во временную форму при Т> Т транс, фиксированной в форме временного при Т <Т транс, и восстановились до постоянной форме при Т> Т транс. Таким образом, СМП леса может достичь "само-фитинг" в дефекта CMF следующим 6. После экспозиции, чтобы нагреть раствор (Т> Т транс), многопроцессорной леса станет податливым, разрешая общем подготовленные цилиндрические эшафот, чтобы быть ручной нажата в неправильной дефекта, с восстановление формы поощрения расширения эшафот с дефектом границы. После охлаждения (T <T транс), подмости бы вернуться к своей относительно более жесткой состоянии, с форма устойчивость поддержания своего нового временную форму в дефекта. В этом протоколе, многопроцессорной каркас изготовлен из поликапролактон (PCL), биоразлагаемый полимер изучена для регенерации тканей и других биомедицинских приложений 9-11. Для памятью формы, тысе Т м PCL служит Т транс и колеблется в пределах 43 ° С и 60, в зависимости от молекулярной массы PCL 12. В этом протоколе, Т транс (т.е. Т м) от помост 56,6 ± 0,3 ° С 6.

Для достижения Остеокондуктивность, был разработан протокол, чтобы SMP каркасов PCL на основе с высоко взаимопроникающих пор, основанный на методе 6,13,14 растворителем литья частиц выщелачивания (SCPL). Поликапролактон диакрилат (PCL-DA), (М п = ~ 10000 г / моль) был использован для обеспечения быстрого, фотохимической сшивки и растворяли в дихлорметане (ДХМ), чтобы позволить растворителей литье по шаблону соли. После фотохимического отверждения и испарения растворителя, шаблон соль удал выщелачивания в воду. Средний размер соль регулирует размер эшафот пор. Важно отметить, что шаблон соли сливают с водой перед растворитель под давлением, чтобы достичь пор interconnectiviТай.

Биологическая был придана SMP эшафот К в формировании месте в в polydopamine покрытия на стенки пор 6. Биологическая часто вводят в каркасах включением стеклянных или стеклокерамических наполнителей 15. Тем не менее, это может привести к нежелательным хрупких механических свойств. Допамин, как было показано, чтобы сформировать клейкий тонкий слой на polydopamine различных субстратов 16-19. В этом протоколе, СМП каркас был подвергнут слабощелочной раствор (рН = 8,5) дофамина с образованием nanothick покрытие polydopamine на всех поверхностях стенки поры 6. В дополнение к повышению гидрофильности поверхности для улучшения адгезии клеток и распространение, polydopamine было показано, что биологически активный в отношении образования гидроксиапатита (ГАП) при воздействии имитаторе жидкости тела (SBF) 18,20,21. На последнем этапе, подмости покрытием подвергается термообработке при 85 ºC (Т> Т транс) WHIch приводит к уплотнению эшафот. Термообработка ранее отметил, что важное значение для поведения форма эшафот памяти, возможно, из-за PCL кристаллические домены реорганизации в большей близости 14.

Мы дополнительно описать методы, чтобы охарактеризовать собственного облегающие поведение в неправильной модели дефекта, форма поведения памяти в терминах деформации управлением циклического тепловых испытаний механического сжатия (т.е. восстановление формы и формы неподвижность), морфологию пор, а в пробирке биологической. Стратегии Портной свойства эшафот также представлены.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. синтезирующий PCL-DA Макромер

  1. Запустите реакцию acrylation.
    1. Взвешивают 20 г PCL-диола н = ~ 10000 г / моль) в 250 мл круглодонную колбу, снабженную тефлоновой покрытой магнитной мешалкой.
    2. Растворите PCL-диола в DCM.
      1. Добавить 120 mLlof DCM в колбу (концентрации = 0,17 г / мл).
      2. Поместите резиновой пробкой свободно в горло колбы таким образом, чтобы избежать роста давления в то же время предотвращая испарение DCM.
      3. Перемешать раствор в течение ~ 30 мин при 250 оборотах в минуту ~ до полного растворения полимера.
    3. Добавить ~ 6,6 мг 4-диметиламинопиридина (ДМАП) в раствор и растворить при перемешивании.
    4. Поместите резиновой пробкой надежно в горло колбы. Разрешить решение, чтобы продолжить перемешивание.
    5. Через резиновую прокладку, аккуратно очистить колбу с N 2 за ~ 3 мин с помощью положительного N 2 вход иглы давление и открытый иглув качестве выхода.
    6. Снимите впускной N 2 и выход.
    7. Добавить 0,56 мл (4,0 ммоль) триэтиламина (Et 3 N) по каплям через стеклянный шприц, снабженный иглой, вставленной в резиновое перегородки.
    8. Добавить 0,65 мл (8,0 ммоль) по каплям акрилоилхлорида с помощью стекл нным шприцем, снабженный иглой, вставленной в резиновое перегородки.
    9. Вернуться вход N 2 в колбу и позволяют содержимое размешать при положительном давлении N 2 за ~ 30 мин.
    10. Предварительно разогрейте масляную ванну до 55 ° C.
    11. После отведенного ~ 30 мин, снимите впускной N 2 и заменить перегородку с конденсатором.
    12. Погрузите колбу в масляной ванне предварительно нагретой.
    13. Разрешить содержимое колбы перемешивают в течение 20 ч.
    14. После 20 часов отведенное, удалить колбу из масляной бани и позволяют охладиться содержимое, до комнатной температуры.
    15. С использованием роторного испарителя, удалить растворитель ДХМ из колбы.
  2. пurify сырой продукт PCL-DA.
    1. В колбу, добавить ~ 135 мл этилацетата и растворить неочищенный PCL-DA.
    2. Гравитация фильтровать раствор через фильтровальную бумагу в чистую 250 мл круглодонную колбу. (Примечание: решение может загустеть на фильтровальной бумаге, не всегда проходящий через Если это так, тщательно применять умеренный нагрев нагревательным пистолетом.).
    3. С использованием роторного испарителя, удалить этилацетат растворитель из колбы.
    4. В колбу, добавить ~ 140 мл ДХМ и растворить неочищенный PCL-DA.
    5. Передача содержимого с 500 мл делительную воронку.
    6. К воронке, добавить 13,5 мл 2 М карбоната калия (K 2 CO 3).
    7. Закрывают воронку. Аккуратно перемешать два слоя путем обращения воронку и осторожно вращая один или два раза, заботясь, чтобы выпустить давление через запорный кран. Повторите 3 раза.
    8. Установите крышку со слоем парафильмом и дают смеси, чтобы отделить O / N (~ 12 ч).
    9. Соберите дна, илиГанич слой в колбу Эрленмейера на 250 мл.
    10. Добавить ~ 5 г безводным сульфатом магния (MgSO 4) В колбу, и нежно вихревой.
    11. Плотность смесь фильтруют через фильтровальную бумагу качественного и в чистую 250 мл круглодонную колбу.
    12. С использованием роторного испарителя, удалить растворитель ДХМ из колбы.
    13. Сухой под высоким вакуумом, чтобы удалить остатки DCM. (Примечание: PCL-DA следует хранить в защищенном от света).
    14. Подтвердите acrylation с 1 H ЯМР 22,23.

2. Подготовка SMP строительные леса (рис 1)

  1. Подготовка слитый шаблон соль.
    1. Использование 425 мкм сито, чтобы получить хлорид натрия (NaCl) частиц ~ 460 ± 70 мкм в диаметре. (Примечание: Средний размер частиц может быть подтверждена из сканирующей электронной микроскопии [СЭМ] изображений с ImageJ программного обеспечения.) 14
    2. В стеклянный флакон 3 мл (ID = 12,9 мм), добавьте 1,8 г просеянного ранее NaCl.
    3. Медленно добавить, четырьмя порциями, 7,5 мас% (в расчете на массу соли) деионизированной воды (0,146 г) в пробирку. Смешать с помощью металлического шпателя после добавления каждой порции воды.
    4. Пробирку закрывают, завернуть в ткань и поместить вертикально в центрифужную пробирку. Центрифуга течение 15 мин при 3220 х г в.
    5. Снимите крышку и дайте высохнуть на воздухе O / N (~ 12 ч).
  2. В новом стеклянном флаконе, подготовить "макромера решение" путем объединения 0,15 г PCL-DA на мл DCM. (Примечание:. Для одного эшафот, ~ 1 мл раствора должна быть подготовлена) Крышка и перемешать раствор на высокой скорости на вихревом смесителе в течение ~ 1 мин.
  3. В новом стеклянный флакон 3 мл, подготовить "фотоинициатора решение" на основе 10% -ного 2,2-диметокси-2-фенил ацетофенон (DMP) в 1-винил-2-пирролидинона (НВП). Комбинат 0,115 г DMP в 1 мл НВП. (Примечание: Для одного эшафот, ~ 180 мкл требуется.) Cap, обернуть алюминиевой фольгой (чтобы блокировать свет) и перемешать раствор на высокой скорости на вихревом смесителев течение ~ 1 мин. (Примечание: Если подготовлен в передовой, решение должно быть в холодильнике и защищен от света).
  4. Заверните флакон, содержащий раствор макромера (за исключением крышки) с алюминиевой фольгой (блокировать свет) и добавить через пипетку 15% по объему (на основе общего объема раствора) макромера фотоинициатора раствора. Крышка и перемешать раствор на высокой скорости на вихревом смесителе в течение ~ 1 мин.
  5. Оберните ампулу, содержащую расплавленный шаблон соль (кроме крышки) с алюминиевой фольгой (чтобы блокировать свет) и добавить с помощью пипетки ранее подготовленный раствор макромер / фотоинициатора (~ 0,6 мл или до тех пор, пока шаблон полностью покрыта).
  6. Пробирку закрывают, завернуть в ткань и поместить вертикально в центрифужную пробирку. Центрифуга течение 10 мин при 1260 х г распределить макромера растворе в течение всего шаблона.
  7. Снимите фольгу, Открывать флакон и подвергать УФ-излучения (365 нм, 25 Вт) в течение 3 мин. Воздух сухой O / N.
  8. Снимите "содержащей соль scaffold "из флакона с помощью пинцета после выигрыша и разрыва в верхней части стеклянный флакон.
  9. В 400 мл стакане, готовят ~ 200 мл смеси вода / этанол растворителей (1: 1 по объему: объем).
  10. Поддержание каркас погружен в вода / этанол растворителей в течение 4 дней с ежедневных изменений растворителей.
  11. Снимите каркас из растворителя и воздушно-сухой O / N.

3. Применение Polydopamine покрытие для SMP строительные леса (рис 1)

  1. В 400 мл химический стакан, снабженный тефлоновым покрыта мешалкой, готовят ~ 200 мл раствора гидрохлорида допамина (2 мг / мл в 10 мМ трис-буфера, рН = 8,5, 25 ° C). Движение на ~ 150 оборотов в минуту.
  2. Поставьте одноразовую иглу (длина = 40 мм; калибр = 20) в эшафоте, ~ половина расстояния через эшафот. Оберните проволоку вокруг втулки иглы.
  3. Погрузите каркас (с втулки иглы над поверхностью раствора) в растворе перемешивание допамина анкерными провод к краю стакана.
  4. Дегазации каркас путем размещения шприца во втулку иглы и использовать его, чтобы вытащить воздух из помост. (Примечание: Дегазация завершается, когда нет больше воздуха не могут быть удалены, а решение полностью проникли на эшафот.)
  5. Поддержание каркас погружен в раствор с перемешиванием дофамина в течение 16 часов.
  6. Извлеките каркас из раствора и удалить иглу. Промыть дистиллированной водой и сушат в вакуумной печи при комнатной температуре в течение 24 ч.
  7. Поместите каркас в 85 ºC духовку на 1 час.
  8. Дайте каркас остыть до комнатной температуры. Окончательный цилиндрический каркас будет ~ диаметром 6 мм х ~ 5 мм высота.

4. Оценка "Self-установки" Поведение

  1. Подготовка "неправильную CMF дефектов модель", используя лист жесткого пластика, толщина которого составляет ~ 5 мм. С помощью сверла, чтобы создать вакуум внутри пластикового листа со средним диаметром немного меньше, чем ~ 6 мм, как показано на фиг.2А.
  2. В АВEaker, тепло деионизированной воды (представляющий клиническое использование солевой раствор) до температуры ~ 60 ° C.
  3. Поместите каркас в стакан ~ 60 ° С воды. Используйте пинцет, чтобы нажать на эшафот под поверхностью воды, обнажая все области к воде. Продолжайте ~ 2 мин или до леса заметно смягчился (рис 2B).
  4. Извлеките каркас из стакана и сразу нажмите (вручную) в модели дефекта.
  5. Дают остыть до комнатной температуры (~ 5-10 мин) (фиг.2с).
  6. Удалить из дефекта наблюдать новый, фиксированный временную форму и возвращение в относительно более жесткой положении (фигура 2D).

5. Тестирование Поведение памятью формы

  1. Использование динамического механического анализатора (DMA, например: в ТА Instruments Q800, используемый здесь), выполнить циклический-термомеханической деформации сжатия тест управлением на леске более двух циклов (N) для определения формы неподвижность (R F) иформировать восстановление (R R) (Рисунок 3).
    1. Равновесие при 60 ° С (Т) большой в течение 5 мин.
    2. Сжатие до максимальной деформации ε (т = 50%) при 50% / мин.
    3. Держите на е м (5 мин).
    4. Остудить до 25 ° С (Т) с низким и поддерживать в течение 10 мин, чтобы исправить временную форму.
    5. Снимите нагрузку.
    6. Измерьте максимальную нагрузку в свободной от стрессов состояние U).
    7. Reheat до 60 ° С (Т) большой и поддерживать в течение 10 мин, чтобы восстановить постоянную форму.
    8. Измерьте напряжение восстановленную р).
    9. В то время как еще в 60 ° C (T) высокой, начать й цикл 2 (N = 2), сжимая эшафот до 50% от высоты восстановленного после 1-го цикла (N = 1).
    10. Повторите 5.1.3-5.1.8 Для N = 2.
    11. Рассчитать R F и R R для N = 1 и 2 с использованием следующих уравнений:
      R F (N) = U (N) / ε м] R R (N) = м - ε P (N)] / м - ε P (N -1)]

6. Визуализация Размер пор и пор Взаимосвязанность

  1. Использование сканирующей электронной микроскопии (SEM; например FEI Quanta SEM, как используется здесь), наблюдать за размер пор и поры взаимосвязанность.
    1. С помощью пинцета держать SMP эшафот, погрузить в жидкий N 2 в течение 1 мин.
    2. Удалить из жидкого N 2 и разрушения вдоль середины помост с чистой лезвие бритвы.
    3. Использование углерода ленту, прикрепите один из СМП лесов половинки на образецЭтап с перелом поверхностью вверх.
    4. Sputter пальто с Au-Pt (~ 4 нм).
    5. Захват изображения SEM по рекомендованной ускоряющим напряжением 10-15 кВ (рис 4а).

7. Тестирование биологической активности в пробирке

  1. В 50 мл центрифужную пробирку, добавляют ~ 30 мл SBF 1X 24.
  2. Получить эшафот в своем первоначальном, цилиндрической формы литьевые постоянного. Отрежьте леску пополам (поперек круговой кромки), используя чистую лезвие.
  3. Поместите индивидуальный эшафот половину в подготовленную пробирку для центрифугирования и крышки.
  4. Поддержание трубку при 37 ° С на водяной бане в статических условиях без каких-либо изменений SBF.
  5. После 14 дней, удалить эшафот из SBF и сухой воздух в течение 24 часов.
  6. Использование углерода ленту, закрепите леску на стадии образца с перелом поверхностью вверх.
  7. Sputter пальто с Au-Pt (~ 4 нм).
  8. Захват изображения SEM в реоценил ускоряющее напряжение 10-15 кВ в (рис 4В).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В результате PCL на основе СМП леса способен себя облегающие модели в CMF дефекта (рис 2). После кратковременной нагреваться физиологический раствор (~ 60 ° C), цилиндрический каркас смягчает позволяя каркас быть вручную нажата в течение и расширить модели дефекта. После охлаждения до комнатной температуры, подмости фиксируется в новую форму, которая временно сохраняется при удалении от дефекта.

Поведение форма память о SMP помост количественно деформации управлением циклических-термической механических испытаний на сжатие по форме жесткости (R F) и восстановления формы (R R) (рис 3). Для этого PCL основе SMP эшафот, значения (%) для циклов N = 1 и 2: R F (1) = 102,5 0,7, R F (2) = 101,8 0,3, R R (1) 95,3 0,9 и R R (2) = 99,8 0,2 6.

СМП эшафот отображает весьма взаимосвязанной морфологию пор, как наблюдаетсяот изображений SEM (4А). Это было достигнуто путем использования слитого шаблона соли, образованной добавлением небольшого количества воды в просеянной соль (рисунок 1).

После воздействия на имитаторе жидкости тела (SBF; 1X) в течение 14 дней, изображений СЭМ подтверждает образование ГАП (рис 4В), таким образом, с указанием эшафот биологическую.

фигура 1
Рисунок 1. Схема для подготовки SMP эшафот, покрытой polydopamine. ASMP эшафот изготовлен с помощью описанного протокола, основанного на фотохимической лечения поликапролактонового диакрилата (PCL-DA), используя растворитель литья частиц выщелачивания (SCPL) способ, использующий шаблон слиты соль и применение биоактивного polydopamine покрытием. Окончательный термообработки при 85 ° C (T> T транс) индуцирует эшафот денсификация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Наблюдение самостоятельной установки поведения. Цилиндрическая СМП леса (~ 6 мм диаметр х ~ 5 мм) оснащен внутри "неправильной модели дефекта" (А) следующим образом. При нагревании в воде при 60 ° С ~ (Т> Т транс), подмости смягчает и становится пластичным (В) и, следовательно, могут быть механически нажата ("установлены") в рамках модели дефекта (С). После охлаждения до комнатной температуры, СМП каркас удаляется и сохраняет свою новую, фиксированный временную форму (D). При последующем нагревании при ~ 60 ° C, подмости подвергается восстановлению формы к исходному, общего цилиндрической формы.

Рисунок 3
Рисунок 3. Измерение поведения памятью формы. Поведение с памятью формы из SMP эшафот количественно через циклической-тепломеханического испытания на сжатие штамм управлением на эшафот, чтобы определить форму неподвижность (R F) и восстановление формы (R R), основываясь на Измерения е м, ε и, ε и р. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Наблюдение ПОРе взаимосвязанность и формирование гидроксиапатита (ГАП). Представитель СЭМ изображения без покрытия, термически обработанной SMP помост (масштаб бар = 200 мкм) (а) и с покрытием, подвергают термообработке каркас после воздействия SBF (1x) в течение 14 дней (Шкалы = 50 мкм) (Б). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол описывает подготовку polydopamine покрытием, PCL основе эшафот, чьи самостоятельно установки поведения, а также остеоиндуктивность и биологическую активность, делает его интерес в лечении нерегулярных CMF костных дефектов. Аспекты протокола может быть изменен, чтобы изменить различные особенности эшафот.

Протокол начинается с acrylation из в PCL-диола, чтобы позволить УФ отверждения. В отчетный например, PCL-диол М п ~ 10000 г / моль. Тем не менее, путем соответствующей регулировки количества акрилоилхлорида и Et 3 N, используемого в процессе синтеза PCL-DA, в PCL диола с более высокой или низкой М Н может быть использован для уменьшения или увеличения, соответственно, плотность сшивания.

Расплавленный Шаблон соль является важным компонентом в протокол (рис 1). Средний размер соль определяет конечный размер эшафот пор. В описанном примере, средний размер соль была ~ 460 ± 70 &# 181; м. В то время как меньший размер соли могут быть использованы, следует иметь в виду, что каркас подвергается усадке во время конечной стадии термообработки, который уменьшает размер пор. Просеивание соли используется, чтобы уменьшить распределение размера соль и, следовательно, распределение пор по размерам. Для получения каркас с высокой сообщающихся пор, соль слитый индуцировали добавлением небольшого количества воды (7,5% вес в расчете на массу соли). Это, как известно, частично растворяется изолированных частиц NaCl в непрерывный шаблон poragen 25,26. В зависимости от среднего размера соли, количество добавленной воды должен быть отрегулирован 14. Кроме того, во время плавления соли, вода должна быть постепенно добавляют, механическое смешанный и, наконец, центрифугировали, чтобы обеспечить его равномерное распределение, а также упаковки частиц соли.

Сформировав слитый шаблон соль, то PCL-DA растворяют в DCM для растворителя под давлением. В описанном протоколе, А concentratioп 0,15 г PCL-DA на 1 мл ДХМ был использован. Эта концентрация может быть увеличена или уменьшена. Тем не менее, в то время как увеличение концентрации, как ожидается, увеличится эшафот модуль, он может также произвести подмости с нижней пор взаимосвязанности 14.

После того, как раствор предшественника был добавлен на соли плесени, центрифугирование полезно помощник в его диффузии в шаблоне. После быстрого отверждения УФ, сушка на воздухе дает испарение растворителя ДХМ. После извлечения из формы, подмости замачивают в воде / этаноле (1: 1 по объему: объем) в течение 4 дней, чтобы удалить шаблон соли. СЭМ изображения подтверждает образование высокой степени взаимосвязанной пор морфологии (фиг.4А).

Polydopamine покрытие наносится на стенках пор каркасом для придания биоактивности. Из полученного лесов усадки, лучше наносить покрытие перед стадией обработки окончательной термической 6. Кроме того, дегазациилеска во время погружения в водный раствор дофамина способствует проникновению. Дегазированные подмости остатки погружены в раствор, чтобы облегчить равномерное покрытие polydopamine. После того, как с покрытием и тщательно промыть, ранее белый эшафот проявляет коричневого цвета характеристику polydopamine 21. Таким образом, покрытие по всей помост может быть оценена путем визуального осмотра с помощью вдвое леску, чтобы подтвердить polydopamine диффузии.

После нанесения покрытия polydopamine, окончательную термообработку проводят (85 ºC, 1 час). Как уже отмечалось, этот процесс приводит к каркасной усадки. Тем не менее, термообработка важное значение для достижения поведение 14 памяти формы, может быть, из-за реорганизации PCL кристаллических доменов (т.е. переключение сегментов) в большей близости.

Как показано на рисунке 2, СМП эшафот достигается себя облегающие модели в дефекта из-за его формы thermoresponsive меняМори природа. Воздействие нагреть физиологический раствор (~ 60 ° С), индуцированное плавления кристаллических доменов PCL, так что умягченной каркас может быть вдавлен в модели дефекта. Когда руководство давление освобождены, восстановление формы способствовало расширению эшафот, чтобы заполнить нерегулярные границы. После охлаждения до комнатной температуры кристаллические домены PCL реформировать, фиксируя каркас в новое временное форму, которая был оставлен при удалении от дефекта. Ранее мы убедились, что поры по краям удаленной помост оставалась достаточно открытой, несмотря контакте с формой 6.

При измерении с помощью деформации управлением циклического тепловых механических испытаний на сжатие (рис 3), идеальное поведение памятью формы характеризуется R F и R R значений 100%. Для описанного SMP помост, R F значения для циклов 1 и 2 были немного> 100% 6. R F Ранее было отмечено, чтобы быть немного грлюдоед, чем 100% 14,27 из-за незначительного увеличения деформации при сжатии во время фиксации формы от перекристаллизации PCL сегментов в более компактных структур 27 или от сжатия, вызванного перекристаллизации PCL. Кроме того, R R увеличилась с цикла к циклу 1 2 6. Увеличение значений г R уже отмечалось ранее для твердых 28,29,22 и пористой SMPS 13,14,23. Считается, что во время первого цикла, остаточная деформация, происходящих из обработки удаляется таким образом, что повышает восстановление формы в следующем цикле 7.

Описанный тканевой инженерии леса достигает определенного набора свойств, критических для успешного лечения костных дефектов CMF. Леса, как ожидается, облегчить остеоинтеграции благодаря своей способности "самостоятельно подходят" в неправильной CMF костного дефекта. Остеокондуктивность прогнозируется на основании достигнутого пор взаимосвязанности, а такжеэшафот биологическому разложению. Наконец, из-за polydopamine покрытия, леска биоактивно как указано формирования HA в ходе испытаний в пробирке (фиг.4В). Это биологическая, по прогнозам, способствовать интеграции и связей с окружающей костной ткани. Таким образом, этот каркас представляет собой альтернативу аутотрансплантации и обычные заменители костей для CMF костного дефекта ремонта.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

Авторы благодарят Texas A & M University Engineering и опытной станции (тройники) за финансовую поддержку данного исследования. Линдсей ногтей с благодарностью признает поддержку со стороны Техас & M Университет Луи Стокса Альянса для участия меньшинств (LSAMP) и Национального научного фонда (NSF) Высшей Программы исследований стипендий (GRFP). Давэй Чжан благодарит Техас & M University Диссертация стипендий.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Elsalanty, M. E., Genecov, D. G. Bone grafts in craniofacial surgery. Craniomaxillofac Trauma Reconstr. 2, 125-134 (2009).
  3. Hollister, S. J., et al. Engineering craniofacial scaffolds. Orthod Craniofacial Res. 8, 162-173 (2005).
  4. Albrektsson, T., Johansson, C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration. Eur Spine J. 10, S96-S101 (2001).
  5. Blokhuis, T. J., Arts, J. J. C. Bioactive and osteoinductive bone graft substitutes: Definitions, facts and myths. Injury. 42, S26-S29 (1016).
  6. 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).
  7. Lendlein, A., Kelch, S. Shape-memory polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 2034-2057 (2002).
  8. 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).
  9. Middleton, J. C., Tipton, A. J. Synthetic biodegradable polymers as orthopedic devices. Biomaterials. 21, 2335-2346 (2000).
  10. 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).
  11. Woodruff, M. A., Hutmacher, D. W. The return of a forgotten polymer-Polycaprolactone in the 21st century. Prog Polym Sci. 35, 1217-1256 (2010).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Zhang, D., Burkes, W. L., Schoener, C. A., Grunlan, M. A. Porous inorganic-organic shape memory polymers. Polymer. 53, 2935-2941 (2012).
  15. 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).
  16. Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318, 426-430 (2007).
  17. Hong, S., et al. Non-covalent self-assembly and covalent polymerization co-contribute to polydopamine formation. Adv Funct Mater. 22, 4711-4717 (2012).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Kokubo, T., Takadama, H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity. Biomaterials. 27, 2907-2915 (2006).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Madbouly, S. A., Kratz, K., Klein, F., Lüzow, K., Lendlein, A. Thermomechanical behaviour of biodegradable shape-memory polymer foams. 2009 MRS Spring Meeting, 1190, Mater Res Soc Symp Proc. (2009).
  28. Luo, X., Mather, P. T. Preparation and characterization of shape memory elastomeric composites. Macromolecules. 42, 7251-7253 (2009).
  29. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats