Bir Biyoaktif, PCL-temelli "Kendinden uydurma" Shape Memory Polymer İskele imalatı
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
Şu anda cranio-maksillofasiyal (CMF) kemik defekti tedavilerin altın standardını kabul hasat otolog greft nakli karmaşık aşılama işlemleri, donör saha morbiditesi ve sınırlı sayıda 1 ile engellenmektedir. Belirli bir zorluk şekillendirme ve osseointegrasyon elde etmek ve greft emilmesini önlemek için defekt içine sıkıca sert otogreft tamir ediyor. Doku mühendisliği bir otograftlama alternatif strateji ve sentetik kemik ikame (örneğin kemik çimentosu) 2,3 olarak incelenmiştir. Doku mühendisliği yaklaşımının başarısı için kritik özelliklerin belirli bir set ile bir iskele olduğunu. İlk olarak, kemik entegrasyonunu elde etmek için, skafold, bitişik kemik dokusunun 4 ile yakın bir temasın oluşturulması gerekir. Iskele aynı zamanda hücre göçü, besin difüzyon ve neotissue birikim 4,5 izin, osteokondüktif olmalıdır. Bu davranış genellikle biyolojik olarak parçalanabilir SCA ile elde edilirffolds oldukça birbirine bağlı gözenek morfolojisi sergileyen. Kemik dokusu 5 çevreleyen ile entegrasyon ve bağ teşvik edecek şekilde Son olarak, iskele biyoaktif olmalıdır.
Burada, bu özelliklere sahip olan, bir doku mühendisliği iskelesi hazırlamak için bir protokol mevcut. Önemlisi, bu iskele de şekil bellekli davranışı 6 nedeniyle düzensiz CMF kusurları içine "self-fit" yeteneği sergiler. Thermoresponsive Şekil belleği olan polimerler (BBOP) 7,8 ısıya maruz kalma üzerine şekil değişimine maruz bilinmektedir. BBOPler kalıcı şekil ve geçici şeklini korumak ve kalıcı şekil kurtarmak "geçiş segmentleri" belirleyen "netpoints" (yani kimyasal veya fiziksel çapraz bağlarının) oluşur. Sviçleme bölümleri, ya cam geçiş (T g) karşılık gelen bir ısı geçiş sıcaklığına (T trans) sergileyen veya polimerin geçiş (Tm) eritin. AsSonuç olarak, BBOPler ardışık T <T trans geçici şekli sabit T> T trans geçici bir şekil, deforme ve T> T trans kalıcı şekil geri kazanılabilir. 6 aşağıdaki gibi Böylece, bir SMP skafold CMF kusur içinde "kendi kendine bağlantı" elde edebiliriz. Temastan sonra tuzlu su (T> T trans), bir SMP iskele şekil kurtarma kusur sınırına iskele genişleme teşvik ile, el-preslenmiş düzensiz bir defekt içine olmak için jenerik hazırlanan silindirik iskele izin, dövülebilir olacaktı ısınmak için. (T <T trans) Soğuduktan sonra, iskele şekil fixity defekti içinde yeni geçici şeklini muhafaza ile nispeten daha sert hale dönecekti. Bu protokol, bir SMP skafold biyolojik olarak parçalanabilir bir polimer, doku rejenerasyonu ve diğer biyomedikal uygulamalar 9-11 için yoğun çalışmalar, polikaprolakton (PCL) hazırlanır. Şekil hafızası için, inciPCL e Tm T trans olarak görev yapar ve PCL 12 arasında molekül ağırlığına bağlı olarak, 43 ve 60 ° C arasında değişir. Bu protokolde, iskele T trans (yani T m) 56.6 ± 0.3 ºC 6.
Osteoconductivity elde etmek için bir protokol, çözücü döküm parçacık-liç (SCPL) yöntemine 6,13,14 dayanan son derece birbirlerine bağlı gözenekleri PCL tabanlı SMP iskeleleri yapmak için geliştirilmiştir. Polikaprolakton diakrilat (PCL-DA) (M n = ~ 10.000 g / mol), hızlı, fotokimyasal çapraz bağlanmasını izin vermek için kullanılmıştır ve tuz şablonu içinde solvent döküm izin vermek için diklorometan (DCM) içinde çözülmüştür. Fotokimyasal tedavi ve çözücü buharlaştırma sonrasında, tuz şablonu su içine damıtılması yoluyla uzaklaştırılmıştır. Ortalama tuz boyutu iskele gözenek boyutu düzenler. Önemli olarak, tuz şablonu önce gözenek interconnectivi elde etmek için döküm çözücü madde su ile kaynaştırıldıty.
Biyoaktivite delik duvarlarının 6 üzerine polydopamine kaplamanın in situ oluşumu ile SMP iskele kazandırılan edildi. Biyoaktivite genellikle cam ya da cam-seramik dolgu 15 dahil edilerek iskeleler sokulur. Bununla birlikte, bu istenmeyen kırılgan mekanik özellikler ortaya çıkarabilir. Dopamin alt tabakalar 16-19 çeşitli yapışkan bir ince polydopamine tabakası oluşturmak için gösterilmiştir. Bu protokol, SMP skafold, tüm gözenekli duvar yüzeyleri 6 polydopamine bir nanothick kaplama oluşturmak için dopamin hafif bazik çözelti (pH = 8.5) tabi tutuldu. Geliştirilmiş hücre yapışması yüzey hidrofilikliğini arttırmak ve yayma ek olarak, polydopamine yapay vücut sıvısı (SBF) 18,20,21 maruziyet üzerine hidroksiapatit oluşumu (HAP) açısından biyolojik olarak aktif olduğu gösterilmiştir. Son bir aşamada, kaplanmış skafold 85 ° C (T> T trans) wh tedaviye ısıya maruz kaldığıIch yoğunlaşma scaffold yol açar. Isıl işlem, daha önce PCL kristal alanlar yakın yakınlık 14 yeniden düzenlenmesi, belki nedeniyle iskele şekil hafıza davranışı için önemli olduğu belirtilmişti.
Biz ayrıca, düzensiz bir model defekti içinde kendini uydurma davranışı karakterize açısından suş kontrollü halkalı-termal, mekanik sıkıştırma testleri bellek davranışı şekil (yani şekil kurtarma ve dinginlik şekil) yöntemlerini tarif morfoloji gözenek ve in vitro biyoetkinlikte. Iskele özelliklerini terzi Stratejiler de sunulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, kendi kendine uyan davranışı bir polydopamine kaplı, PCL-bazlı yapı iskelesinin hazırlanmasını, hem de Osteoindüktivite kullanılabilirlik ve biyolojik aktivite tarif düzensiz CMF kemik defektlerinin tedavisinde yararlı hale getirir. Protokol Yönleri çeşitli iskele özelliklerini değiştirmek için değiştirilebilir.
Protokol UV kür izin vermek için bir PCL-diol Açilleme ile başlar. Bildirilen örnekte, PCL-diol M n ~ 10.000 g / mol'dür. Bunu…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Texas A & M University Mühendislik teşekkür Bu araştırmanın mali destek için İstasyonu (TEES) Deney. Lindsay Nail minnetle Azınlık Katılım Texas A & M University Louis Stokes Alliance (LSAMP) ve Ulusal Bilim Vakfı (NSF) Lisansüstü Araştırma Bursu Programı (GRFP) destek kabul eder. Dawei Zhang teşekkür Texas A & M Üniversitesi Tez Bursu.
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 |
Referenzen
- 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).
