La fabricación de una memoria de forma "Auto-ajuste" basado en PCL Bioactivos, Polymer Andamios
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
Actualmente considerado el estándar de oro de cráneo-maxilofacial (CMF) tratamientos de defectos de hueso, el trasplante de injertos autólogos recolectados se ve obstaculizado por procedimientos de injerto complejos, morbilidad del sitio donante y la disponibilidad limitada de 1. Una dificultad particular se perfila y se fija el autoinjerto rígida firmemente en el defecto a fin de obtener la oseointegración y para evitar la reabsorción del injerto. La ingeniería de tejidos se ha investigado como una estrategia alternativa al autoinjerto y sustitutos óseos sintéticos (por ejemplo, cemento óseo) 2,3. Fundamental para el éxito de un enfoque de la ingeniería de tejidos es un andamiaje con un conjunto específico de propiedades. En primer lugar, a fin de lograr la osteointegración, el andamio debe formar un estrecho contacto con el tejido óseo adyacente 4. El andamio también debe ser osteoconductiva, permitiendo la migración celular, difusión de nutrientes y 4,5 deposición neotejido. Este comportamiento se consigue generalmente con sca biodegradablesffolds exhiben una morfología de poro altamente interconectado. Por último, el andamio debe ser bioactivo con el fin de promover la integración y la unión con el tejido óseo circundante 5.
A continuación, presentamos un protocolo para preparar un andamio ingeniería de tejidos con estas propiedades. Es importante destacar que este andamio exhibe la capacidad de "auto-ajuste" en defectos irregulares CMF debido a su comportamiento de memoria de forma 6. Polímeros con memoria de forma termosensible (SMPS) se sabe que someterse a cambio de forma cuando se expone al calor 7,8. SMP se componen de "NETPoints" (es decir, químicas o reticulaciones físicas) que determinan la forma permanente y "segmentos de conexión" que mantienen la forma temporal y recuperan la forma permanente. Los segmentos de conmutación presentan una temperatura de transición térmica (T trans) que corresponde a cualquiera de la transición vítrea (Tg) o se funden de transición (Tm) del polímero. ComoEn consecuencia, las SMP puede ser secuencial deforma en una forma temporal en T> T trans, fijo en forma temporal en T <T trans, y se recuperó a la forma permanente en T> T trans. Así, un andamio de SMP podría lograr "auto-ajuste" dentro de un defecto recurrente de la siguiente 6. Después de la exposición al calor de solución salina (T> T trans), un andamio de SMP se convertiría maleable, permitiendo un andamio cilíndrica genéricamente preparado para estar en un defecto irregular presionado a mano, con la recuperación de la forma promover la expansión del andamio hasta el límite del defecto. Después de la refrigeración (T <T trans), el andamio volvería a su estado relativamente más rígida, con forma de fijeza mantener su nueva forma temporal dentro del defecto. En este protocolo, un andamio SMP se prepara a partir de policaprolactona (PCL), un polímero biodegradable estudió extensivamente para la regeneración de tejidos y otras aplicaciones biomédicas 9-11. Para memoria de forma, THe T m de PCL sirve como el T trans y varía entre 43 y 60 ºC, dependiendo del peso molecular de la PCL 12. En este protocolo, el T trans (es decir Tm) del andamio es 56,6 ± 0,3 ºC 6.
A fin de lograr osteoconductividad, se desarrolló un protocolo para hacer andamios SMP basados en PCL con poros interconectados altamente basa en un método de fundición a presión de partículas de disolvente-lixiviación (SCPL) 6,13,14. Diacrilato de policaprolactona (PCL-DA) (M n = ~ 10.000 g / mol) se utilizó para permitir el rápido, la reticulación fotoquímica y se disolvió en diclorometano (DCM) para permitir disolvente a presión sobre la plantilla sal. Después de cura fotoquímica y evaporación del disolvente, la plantilla sal se separó por lixiviación en agua. El tamaño medio de la sal regula el tamaño de los poros del andamio. Es importante destacar que la plantilla de la sal se fusionó con agua antes de disolvente de fundición a presión para lograr interconnectivi de porodad.
La bioactividad se imparte al andamio SMP por la formación in situ de un recubrimiento polydopamine en paredes de los poros 6. La bioactividad es a menudo introducido en andamios por la inclusión de vidrio o de cerámica de vidrio rellenos 15. Sin embargo, estos pueden dar lugar a propiedades mecánicas frágiles no deseados. La dopamina se ha demostrado para formar una capa adherente polydopamine, delgada sobre una variedad de sustratos 16-19. En este protocolo, el andamio SMP se sometió a una solución ligeramente básica (pH = 8.5) de la dopamina para formar un recubrimiento de nanothick polydopamine en todas las superficies de pared de poro 6. Además de mejorar la hidrofilia de la superficie para mejorar la adhesión celular y la propagación, polydopamine ha demostrado ser bioactivo en términos de formación de hidroxiapatita (HAp) tras la exposición a fluido corporal simulado (SBF) 18,20,21. En un último paso, el andamiaje recubierto se expone a un tratamiento térmico a 85 ºC (T> T trans) which conduce al andamio densificación. El tratamiento térmico se señaló anteriormente a ser esencial para el comportamiento de memoria de forma de andamio, tal vez debido a dominios cristalinos PCL reorganizar a mayor proximidad 14.
Tenemos, además, describen los métodos para caracterizar el comportamiento de auto-ajuste dentro de un defecto modelo irregular, moldear el comportamiento de memoria en términos ensayos de compresión mecánica cíclica térmicos de deformación controlada (es decir, recuperación de la forma y la forma de fijeza), poro morfología, y en la bioactividad in vitro. También se presentan estrategias para adaptar las propiedades de andamios.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe la preparación de un andamio a base de PCL polydopamine recubiertos cuya auto-ajuste de la conducta, así como osteoinductividad y bioactividad, hace que sea de interés en el tratamiento de defectos óseos irregulares CMF. Aspectos del protocolo pueden ser alterados para cambiar varias características de andamios.
El protocolo comienza con acrilación de un PCL-diol para permitir la cura UV. En el ejemplo se informó, el PCL-diol M n es de ~ 10.000…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a Texas A & M University Ingeniería y Estación Experimental (TEE) para el apoyo financiero de esta investigación. Lindsay Nail agradece el apoyo de la Universidad de Texas A & M University Louis Stokes Alianza para la Participación de las Minorías (LSAMP) y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Posgrado Programa de Becas de Investigación (GRFP). Dawei Zhang agradece a la Universidad de Texas A & M University Disertación compañerismo.
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 |
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