ייצור של זיכרון מבוסס PCL יו, "עצמית הולם" צורת פולימר פיגום
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
כיום נחשב סטנדרטי של קרניו-ולסת (CMF) טיפולי פגם עצם הזהב, השתלה אוטולוגית של שתלים שנקטפו מתעכבת על ידי הליכים מורכבים השתלה, תחלואת אתר תורם וזמינות מוגבלת 1. קושי מיוחד הוא בעיצוב ותיקון autograft הנוקשה בחוזקה לפגם במטרה להשיג osseointegration ולמנוע ספיגת שתל. הנדסת רקמות נחקרה כאסטרטגיה חלופית לautografting ותחליפים סינטטיים עצם (מלט עצם למשל) 2,3. קריטי להצלחה של גישת הנדסת רקמות הוא פיגום עם קבוצה מסוימת של נכסים. ראשית, על מנת להשיג osseointegration, הפיגום חייב ליצור קשר הדוק עם רקמת עצם סמוך 4. הפיגום צריך להיות גם osteoconductive, המאפשר נדידת תאים, דיפוזיה התזונתית ו4,5 תצהיר neotissue. התנהגות זו, בדרך כלל, שהושגה עם SCA מתכלהffolds מציג מורפולוגיה נקבובית קשורה מאוד. לבסוף, הפיגום צריך להיות ביו כדי לקדם אינטגרציה ומליטה עם רקמות עצם 5.
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להכין פיגום הנדסת רקמות עם מאפיינים אלה. חשוב לציין, פיגום זה מציג את היכולת "כושר-עצמי" לפגמי CMF בלתי סדירים בשלה צורת התנהגות זיכרון 6. פולימרים Thermoresponsive זיכרון צורה (SMPS) ידועים לעבור שינוי צורה בחשיפה לחום 7,8. SMPS מורכב "netpoints" (כלומר כימי או crosslinks הפיזי) הקובע את הצורה הקבועה ו" מגזרי מיתוג ", שלשמור על הצורה הזמנית ולשחזר את הצורה הקבועה. מגזרי המיתוג להציג טמפרטורה תרמית מעבר (T טראנס) המתאימה לשני מעבר הזכוכית (ז T) או להמס מעבר (T מ ') של הפולימר. כתוצאה, SMPS עשוי להיות מעוות ברצף לצורה זמנית בT> T טראנס, קבועה בצורה הזמנית בT <T טראנס, והתאושש לצורה הקבועה בT> T טראנס. לפיכך, פיגום SMP יכול להשיג "עצמי הולם" בתוך פגם CMF כדלקמן 6. לאחר החשיפה לחמם מלוח (T> T טראנס), פיגום SMP יהיה נזיל, המאפשר פיגום גלילי מוכן הגנרי להיות יד לחץ לפגם לא סדיר, עם התאוששות צורת קידום הרחבת הפיגום לגבול הפגם. בקירור (T <T טראנס), הפיגום יחזור למצב יחסית יותר הנוקשה שלה, עם קיבעון צורת שמירת הצורה הזמנית החדשה שלה בפגם. בפרוטוקול זה, פיגום SMP מוכן מpolycaprolactone (PCL), פולימר מתכלה נחקר בהרחבה לשחזור רקמות ויישומים ביו-רפואיים אחרים 9-11. לזיכרון צורה, הT מ 'דואר של PCL משמש כT טראנס ומשתנה בין 43 ו -60 המעלות צלזיוס, תלוי במשקל המולקולרי של PCL 12. בפרוטוקול זה, T טרנס (T מ 'כלומר) של הפיגום הוא 56.6 מעלות צלזיוס ± 0.3 6.
על מנת להשיג osteoconductivity, פרוטוקול פותח כדי להפוך את פיגומי SMP מבוססי PCL עם נקבוביות קשורות מאוד המבוססות על שיטת חלקיקים-שטיפת הליהוק ממס (SCPL) 6,13,14. diacrylate Polycaprolactone (PCL-DA) (M = n ~ 10,000 g / mol) נוצל כדי לאפשר crosslinking המהיר, פוטו ופורק ב dichloromethane (DCM) כדי לאפשר ממס הליהוק מעל תבנית מלח. בעקבות תרופת פוטו ואידוי ממס, תבנית מלח הוסרה על ידי שטיפה במים. הגודל הממוצע מלח מסדיר גודל נקבובית פיגום. חשוב לציין, תבנית מלח הייתה התמזגה עם מים לפני ממס ליהוק להשיג interconnectivi הנקבוביתטאי.
הפעילות ביולוגית הייתה הנחילה לפיגום SMP על ידי בהיווצרות באתרו של ציפוי polydopamine על קירות נקבוביות 6. פעילות ביולוגית הוא הציג לעתים קרובות לפיגומים על ידי ההכללה של חומרי מילוי זכוכית או זכוכית קרמית 15. עם זאת, אלה עלולים לגרום לתכונות מכאניות פריכות לא רצויות. דופמין הוכח כדי ליצור שכבה חסיד, דקה polydopamine על מגוון רחב של מצעי 16-19. בפרוטוקול זה, פיגום SMP היה נתון לפתרון מעט בסיסי (pH = 8.5) של דופמין כדי ליצור ציפוי nanothick של polydopamine על כל הקיר נקבובית המשטחים 6. בנוסף לשיפור hydrophilicity משטח להידבקות תא משופר ומתפשט, polydopamine הוכח להיות ביו במונחים של היווצרות של hydroxyapatite (הפ) בחשיפה לנוזלי גוף המדומה (SBF) 18,20,21. בשלב אחרון, הפיגום המצופה חשוף לחום טיפול ב 85 המעלות צלזיוס "ש (T> T טראנס)ich מוביל לפיגומי ציפוף. טיפול בחום צוין בעבר להיות חיוני לזיכרון צורת פיגום התנהגות, אולי בשל תחומים גבישי PCL ארגון מחדש של קרבה קרובה יותר 14.
אנחנו גם לתאר את השיטות כדי לאפיין את ההתנהגות הולמת העצמית בתוך פגם מודל לא סדיר, זיכרון צורת התנהגות במונחי בדיקות דחיסה מכאנית מחזוריות-תרמית בשליטת מתח (התאוששות צורה כלומר ולעצב את הקיבעון), נקבוביות מורפולוגיה, ובפעילות ביולוגית מבחנה. אסטרטגיות כדי להתאים את מאפייני פיגום גם מוצגות.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר את ההכנה של פיגום התנהגות הולמת עצמי שמצופה polydopamine, מבוסס PCL, כמו גם osteoinductivity ופעילות ביולוגית, הופך אותו לעניין בטיפול בפגמי עצם CMF לא סדירים. היבטים של הפרוטוקול עשויים להשתנות לשנות תכונות פיגום שונות.
הפרוטוקו…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים טקסס A & M הנדסת האוניברסיטה ותחנת ניסוי (טיז) לתמיכה כספית של מחקר זה. נייל לינדזי בתודה מודה תמיכה מלואיס אוניברסיטת סטוקס הברית טקסס A & M להשתתפות מיעוט (LSAMP) והקרן הלאומית למדע (NSF) בוגר תכנית עמיתי מחקר (GRFP). דא-הווים ג'אנג הודות טקסס A & M אוניברסיטת מסה המלגה.
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).
