Fabrication d'une mémoire de forme "auto-ajustement" à base de PCL bioactifs, Polymer Échafaudages
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
Actuellement considérée comme la norme de cranio-maxillo-faciale (CMF) traitements de défaut osseux or, la transplantation de greffons autologues récoltées est entravé par des procédures complexes de greffage, morbidité du site donneur et la disponibilité limitée 1. Une difficulté particulière se dessine et fixant le autogreffe rigide étroitement dans le défaut afin d'obtenir l'ostéointégration et de prévenir la résorption du greffon. L'ingénierie tissulaire a été étudiée comme une stratégie alternative à autogreffe et substituts osseux synthétiques (par exemple de ciment osseux) 2,3. Essentiel à la réussite d'une approche de l'ingénierie tissulaire est un échafaud avec un ensemble spécifique de propriétés. Tout d'abord, afin de parvenir à l'ostéointégration, l'échafaudage doit former un contact étroit avec le tissu osseux adjacent 4. L'échafaudage doit également être ostéoconducteur, permettant la migration cellulaire, la diffusion des nutriments et 4,5 neotissue dépôt. Ce comportement est généralement réalisé avec sca biodégradableffolds présentant un pore morphologie fortement interconnecté. Enfin, l'échafaudage doit être bioactif de manière à promouvoir l'intégration et la liaison avec le tissu osseux 5 environnante.
Ici, nous présentons un protocole pour préparer un échafaudage d'ingénierie tissulaire avec ces propriétés. Surtout, cette échafaudage présente la capacité de "l'auto-ajustement" dans des défauts CMF irrégulières en raison de sa forme le comportement de mémoire 6. Thermosensible polymères à mémoire de forme (SMPS) sont connus pour subir un changement de forme lors de l'exposition à la chaleur 7,8. PMC sont constitués de "NETPoints» (c.-à-reticulations chimiques ou physiques) qui déterminent la forme permanente et des "segments de commutation" qui maintiennent la forme temporaire et retrouver la forme permanente. Les segments de commutation présentent une température de transition thermique (T trans) correspondant soit à la transition vitreuse (T g) ou fondre transition (T m) du polymère. CommeEn conséquence, les PMC peut être déformé de manière séquentielle dans une forme temporaire à T> T trans, fixé dans la forme temporaire à T <T trans, et récupéré à la forme permanente à T> T trans. Ainsi, un échafaudage de SMP pourrait parvenir à "l'auto-ajustement" dans un défaut CMF comme suit 6. Après exposition à réchauffer une solution saline (T> T trans), un échafaudage de SMP deviendrait malléable, permettant un échafaudage cylindrique générique prêt à être dans un défaut irrégulière pressé à la main, avec récupération de forme promouvoir l'expansion de l'échafaudage à la limite de défaut. Lors du refroidissement (T <T trans), l'échafaud reviendrait à son état relativement plus rigide, avec la forme de fixité maintenir sa nouvelle forme temporaire au sein de la défectuosité. Dans ce protocole, un échafaudage de lait écrémé en poudre est préparée à partir de polycaprolactone (PCL), un polymère biodégradable a étudié intensivement pour la régénération des tissus et d'autres applications biomédicales 9-11. Pour mémoire de forme, ee T m de PCL sert de T trans et varie entre 43 et 60 ° C, en fonction du poids moléculaire du 12 PCL. Dans ce protocole, la T trans (c.-T m) de l'échafaudage est de 56,6 ± 0,3 ºC 6.
Afin d'atteindre ostéoconductivité, un protocole a été développé pour rendre échafaudages SMP à base de PCL avec des pores fortement interconnectés basés sur une méthode 6,13,14 solvant coulée particules-lixiviation (SCPL). Le diacrylate de polycaprolactone (PCL-DA) (M n = 10 000 ~ g / mol) a été utilisé pour permettre rapide, la reticulation photochimique et a été dissous dans du dichlorométhane (DCM) pour permettre au solvant de coulée sur le modèle de sel. Après la cure photochimique et l'évaporation du solvant, le modèle de sel a été éliminé par lessivage dans l'eau. La taille moyenne de sel régule la taille des pores échafaudage. Fait important, le gabarit de sel a été fusionné avec de l'eau avant le coulage de solvant pour obtenir pore interconnectiviTy.
La bioactivité a été conférée à l'échafaudage pour le SMP par la formation in situ d'un revêtement sur polydopamine parois des pores 6. La bioactivité est souvent introduit dans les échafaudages par l'inclusion de verre ou de vitrocéramique de 15 charges. Toutefois, ceux-ci peuvent donner lieu à des propriétés mécaniques fragiles indésirables. La dopamine a été montré pour former une mince couche adhérente de polydopamine sur une variété de substrats 16-19. Dans ce protocole, l'échafaudage pour SMP a été soumis à une solution légèrement basique (pH = 8,5) de la dopamine pour former un revêtement de nanothick de polydopamine sur toutes les surfaces de paroi des pores 6. En plus d'améliorer l'hydrophilie de surface pour améliorer l'adhérence cellulaire et d'étalement, polydopamine a été montré pour être biologiquement actif sur le plan de formation d'hydroxyapatite (HAP) par exposition à un liquide corporel simulé (SBF) 18,20,21. Dans une dernière étape, l'échafaud revêtu est exposé à un traitement thermique à 85 ° C (T> T trans) which conduit à une densification échafaudage. Le traitement thermique a été noté précédemment comme essentiel pour le comportement à mémoire de forme d'échafaudage, peut-être en raison de domaines cristallins PCL se réorganiser pour une plus grande proximité 14.
Nous décrivons en outre des méthodes pour caractériser le comportement d'auto-ajustement au sein d'un défaut de modèle irrégulier, façonner le comportement de la mémoire en ce qui concerne les tests de compression mécanique cyclique thermiques déformation contrôlée (par exemple reprise de forme et la forme de fixité), pore morphologie, et dans la bioactivité in vitro. Stratégies pour adapter les propriétés d'échafaudage sont également présentés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole décrit la préparation d'un échafaudage à base de PCL polydopamine revêtue dont l'auto-ajustage comportement, ainsi que ostéoinductivité et la bioactivité, il est d'intérêt pour le traitement de défauts osseux irréguliers FMC. Les aspects du protocole peuvent être modifiés pour modifier diverses caractéristiques d'échafaudage.
Le protocole commence par acrylation d'un PCL-diol pour permettre la guérison UV. Dans l'exemple indiqué, la PCL-…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient la Texas A & M University ingénierie et d'expérimenter la gare (TEES) pour le soutien financier de cette recherche. Lindsay Nail remercie le soutien de la Texas A & M University Louis Stokes Alliance pour la participation de la minorité (LSAMP) et la National Science Foundation (NSF) Programme de bourses de recherche des cycles supérieurs (GRFP). Zhang Dawei grâce du Texas A & M University Dissertation Fellowship.
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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