Изготовление биоактивными, PCL основе "Self-установки" памятью формы полимеров Scaffold
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
В настоящее время считается золотым стандартом черепно-челюстно-лицевой (CMF) костный дефект лечения, трансплантация аутологичных добываемых трансплантатов затруднено сложными процедурами прививки, донор сайте заболеваемости и ограниченная доступность 1. Особая сложность формирует и фиксации жесткого аутотрансплантата плотно в дефект, чтобы получить остеоинтеграции и предотвратить резорбцию трансплантата. Тканевая инженерия была исследована в качестве альтернативной стратегии, чтобы аутотрансплантации и синтетических заменителей кости (например, кости цемент) 2,3. Решающее значение для успеха тканевой инженерии подхода является каркас с определенным набором свойств. Во-первых, для достижения остеоинтеграции, подмости должны образовывать тесные контакты с рядом костной ткани 4. Леса должны быть остеокондуктивный, позволяя миграцию клеток, питательную диффузии и neotissue 4,5 осаждения. Такое поведение, как правило, достигается с биоразлагаемой SCAffolds демонстрируя высокую взаимосвязанную морфологию пор. Наконец, каркас должен быть биологически активным, с тем чтобы содействовать интеграции и связей с окружающей костной ткани 5.
Здесь мы приводим протокол для подготовки тканевой инженерии эшафот с этими свойствами. Важно отметить, что это эшафот проявляет способность к "само-подходят" в нерегулярных CMF дефекты, связанные с его поведением с памятью формы 6. Thermoresponsive полимеры с памятью формы (SMPS), как известно, проходят под воздействием изменения формы, чтобы нагреть 7,8. У SMP состоят из "netpoints» (то есть химических или физических сшивок), которые определяют постоянную форму и "переключение" сегменты, которые поддерживают временную форму и восстановить постоянную форму. Сегменты переключения проявляют тепловой температуру перехода (Т транс), соответствующую либо стеклования (T G) или переход (Т м) в расплав полимера. В видерезультат, бухгалтерские фирмы может быть последовательно деформированы во временную форму при Т> Т транс, фиксированной в форме временного при Т <Т транс, и восстановились до постоянной форме при Т> Т транс. Таким образом, СМП леса может достичь "само-фитинг" в дефекта CMF следующим 6. После экспозиции, чтобы нагреть раствор (Т> Т транс), многопроцессорной леса станет податливым, разрешая общем подготовленные цилиндрические эшафот, чтобы быть ручной нажата в неправильной дефекта, с восстановление формы поощрения расширения эшафот с дефектом границы. После охлаждения (T <T транс), подмости бы вернуться к своей относительно более жесткой состоянии, с форма устойчивость поддержания своего нового временную форму в дефекта. В этом протоколе, многопроцессорной каркас изготовлен из поликапролактон (PCL), биоразлагаемый полимер изучена для регенерации тканей и других биомедицинских приложений 9-11. Для памятью формы, тысе Т м PCL служит Т транс и колеблется в пределах 43 ° С и 60, в зависимости от молекулярной массы PCL 12. В этом протоколе, Т транс (т.е. Т м) от помост 56,6 ± 0,3 ° С 6.
Для достижения Остеокондуктивность, был разработан протокол, чтобы SMP каркасов PCL на основе с высоко взаимопроникающих пор, основанный на методе 6,13,14 растворителем литья частиц выщелачивания (SCPL). Поликапролактон диакрилат (PCL-DA), (М п = ~ 10000 г / моль) был использован для обеспечения быстрого, фотохимической сшивки и растворяли в дихлорметане (ДХМ), чтобы позволить растворителей литье по шаблону соли. После фотохимического отверждения и испарения растворителя, шаблон соль удал выщелачивания в воду. Средний размер соль регулирует размер эшафот пор. Важно отметить, что шаблон соли сливают с водой перед растворитель под давлением, чтобы достичь пор interconnectiviТай.
Биологическая был придана SMP эшафот К в формировании месте в в polydopamine покрытия на стенки пор 6. Биологическая часто вводят в каркасах включением стеклянных или стеклокерамических наполнителей 15. Тем не менее, это может привести к нежелательным хрупких механических свойств. Допамин, как было показано, чтобы сформировать клейкий тонкий слой на polydopamine различных субстратов 16-19. В этом протоколе, СМП каркас был подвергнут слабощелочной раствор (рН = 8,5) дофамина с образованием nanothick покрытие polydopamine на всех поверхностях стенки поры 6. В дополнение к повышению гидрофильности поверхности для улучшения адгезии клеток и распространение, polydopamine было показано, что биологически активный в отношении образования гидроксиапатита (ГАП) при воздействии имитаторе жидкости тела (SBF) 18,20,21. На последнем этапе, подмости покрытием подвергается термообработке при 85 ºC (Т> Т транс) WHIch приводит к уплотнению эшафот. Термообработка ранее отметил, что важное значение для поведения форма эшафот памяти, возможно, из-за PCL кристаллические домены реорганизации в большей близости 14.
Мы дополнительно описать методы, чтобы охарактеризовать собственного облегающие поведение в неправильной модели дефекта, форма поведения памяти в терминах деформации управлением циклического тепловых испытаний механического сжатия (т.е. восстановление формы и формы неподвижность), морфологию пор, а в пробирке биологической. Стратегии Портной свойства эшафот также представлены.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает подготовку polydopamine покрытием, PCL основе эшафот, чьи самостоятельно установки поведения, а также остеоиндуктивность и биологическую активность, делает его интерес в лечении нерегулярных CMF костных дефектов. Аспекты протокола может быть изменен, чтобы изменить ра…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Texas A & M University Engineering и опытной станции (тройники) за финансовую поддержку данного исследования. Линдсей ногтей с благодарностью признает поддержку со стороны Техас & M Университет Луи Стокса Альянса для участия меньшинств (LSAMP) и Национального научного фонда (NSF) Высшей Программы исследований стипендий (GRFP). Давэй Чжан благодарит Техас & M University Диссертация стипендий.
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).
