Realizzazione di una sede a PCL Bioactive, "Self-fitting" Shape Memory Polymer Ponteggio
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
Attualmente considerato il gold standard di cranio-maxillo-facciale (CMF) Trattamenti difetto osseo, trapianto di innesti autologhi raccolti è ostacolato da procedure di innesto complesse, sito donatore la morbilità e la disponibilità limitata 1. Una particolare difficoltà sta plasmando e fissa l'autotrapianto rigida saldamente nel difetto al fine di ottenere osteointegrazione e per prevenire il riassorbimento dell'innesto. L'ingegneria dei tessuti è stata studiata come una strategia alternativa per autotrapianto e sostituti ossei sintetici (ad esempio cemento osseo) 2,3. Fondamentale per il successo di un approccio di ingegneria tissutale è un ponteggio con un set specifico di proprietà. In primo luogo, al fine di raggiungere l'osteointegrazione, il ponteggio deve formare stretto contatto con il tessuto osseo adiacente 4. Il ponteggio deve essere anche osteoconduttivo, permettendo la migrazione delle cellule, la diffusione dei nutrienti e neotissue deposizione 4,5. Questo comportamento viene generalmente raggiunta con sca biodegradabileffolds esibendo un poro morfologia fortemente interconnesso. Infine, il ponteggio deve essere bioattivo in modo da promuovere l'integrazione ed il legame con circostante tessuto osseo 5.
Qui, vi presentiamo un protocollo per preparare una impalcatura ingegneria dei tessuti con queste proprietà. È importante sottolineare che questa impalcatura mostra la capacità di "auto-fit" in difetti irregolari CMF grazie al suo comportamento memoria di forma 6. Polimeri a memoria di forma Thermoresponsive (SMPS) sono noti per subire un cambiamento di forma in seguito all'esposizione al calore 7,8. SMP è formata da "NETPoint" (cioè legami crociati chimici o fisici), che determinano la forma permanente e "segmenti di commutazione", che mantengono la forma temporanea e recuperano la forma permanente. I segmenti di commutazione presentano una temperatura di transizione termica (T trans) corrispondente sia alla transizione vetrosa (Tg) o fondere transizione (T m) del polimero. ComeDi conseguenza, SMP può essere deformata in sequenza in una forma temporanea a T> T trans, fisso a forma temporaneo T <T trans, e recuperato alla forma permanente a T> T trans. Così, un ponteggio SMP potrebbe realizzare "self-fitting" all'interno di un difetto CMF come segue 6. Dopo l'esposizione a scaldare salina (T> T trans), un ponteggio SMP sarebbe diventato malleabile, permettendo un ponteggio cilindrica genericamente preparato per essere in un difetto irregolare pressato a mano, con recupero della forma promuovere l'espansione del ponteggio al confine difetto. Al raffreddamento (T <T trans), l'impalcatura sarebbe tornato al suo stato relativamente più rigida, con forma fissità mantenere la sua nuova forma temporanea all'interno del difetto. In questo protocollo, una impalcatura SMP è preparato da policaprolattone (PCL), un polimero biodegradabile studiato ampiamente per la rigenerazione dei tessuti e altre applicazioni biomediche 9-11. Per la memoria di forma, the T m di PCL funge T trans e varia tra 43 e 60 ° C, a seconda del peso molecolare del PCL 12. In questo protocollo, il T trans (vale a dire T m) del patibolo è 56,6 ± 0,3 ° C 6.
Per raggiungere osteoconduttività, un protocollo è stato sviluppato per rendere scaffold SMP basati PCL con pori altamente interconnessi basati su un metodo 6,13,14-colata solvente particolato lisciviazione (SCPL). Polycaprolactone diacrilato (PCL-DA) (M n = ~ 10.000 g / mol) è stata utilizzata per permettere una rapida, reticolazione fotochimica ed è stato sciolto in diclorometano (DCM) per consentire solventi colata sul modello sale. Dopo polimerizzazione fotochimica ed evaporazione del solvente, il modello di sale è stato rimosso per lisciviazione in acqua. La dimensione media del sale regola dimensione dei pori patibolo. È importante sottolineare che il modello sale era fusa con acqua prima di solvente di fusione per ottenere pori interconnectivity.
Bioattività è stata impartita al ponteggio SMP dalla formazione in situ di un rivestimento polydopamine sulle pareti dei pori 6. Bioattività è spesso introdotto ponteggi dall'inclusione di vetro o vetroceramica riempitivi 15. Tuttavia, questi possono dare origine a indesiderati fragili proprietà meccaniche. La dopamina ha dimostrato di formare un aderente, polydopamine strato sottile su una varietà di substrati 16-19. In questo protocollo, l'impalcatura SMP è stato sottoposto ad una soluzione leggermente basica (pH = 8,5) di dopamina per formare un rivestimento di nanothick polydopamine su tutte le superfici murali pori 6. Oltre a migliorare idrofilicità superficiale per migliorare l'adesione cellulare e la diffusione, polydopamine ha dimostrato di essere bioattivo in termini di formazione di idrossiapatite (HAP) in seguito all'esposizione al liquido corporeo simulato (SBF) 18,20,21. In un ultimo passaggio, l'impalcatura rivestito viene esposto a trattamento termico a 85 ° C (T> T trans) which porta a ponteggi densificazione. Il trattamento termico è stato precedentemente notato per essere essenziale per il comportamento a memoria di forma patibolo, forse a causa di domini cristallini PCL riorganizzazione di maggiore vicinanza 14.
Abbiamo inoltre descritti i metodi per caratterizzare il comportamento auto-montaggio all'interno di un modello di difetto irregolare, plasmare il comportamento in termini di memoria prove di compressione meccanica ciclico-termici deformazione controllata (cioè recupero della forma e modellare la fissità), poro morfologia, e de bioattività vitro. Strategie per adattare le proprietà impalcature sono anche presentati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive la preparazione di una impalcatura basato PCL polydopamine rivestite cui sé-montaggio comportamento, nonché osteoinduttività e bioattività, rende di interesse per il trattamento di difetti ossei irregolari CMF. Aspetti del protocollo può essere modificato per cambiare varie caratteristiche patibolo.
Il protocollo inizia con acrylation di un PCL-diolo per consentire cura UV. Nell'esempio riportato, il PCL-diolo M n è ~ 10.000 g / mol. Tuttavia, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Texas A & M University Ingegneria e Experiment Station (TEE) per il sostegno finanziario di questa ricerca. Lindsay Nail ringrazia il sostegno della Texas A & M University Louis Stokes Alliance for Minority partecipazione (LSAMP) e la National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship Program (GRFP). Dawei Zhang grazie alla Texas A & M University Tesi 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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