Herstellung eines bioaktiven, PCL-basierte "Self-Montage" Formgedächtnispolymer 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
Zur Zeit als Goldstandard der Kiefer- und Gesichts (CMF) Knochendefekt-Behandlungen, ist die Transplantation von autologen Transplantaten geerntet durch komplexe Transplantation Verfahren, Entnahmemorbidität und der begrenzten Verfügbarkeit 1 behindert. Eine besondere Schwierigkeit ist die Gestaltung und Befestigung des starren Autotransplantat fest in den Defekt, um die Osseointegration zu erhalten und Transplantat Resorption verhindern. Tissue Engineering ist als alternative Strategie zur Autotransplantation und synthetischen Knochenersatzmaterialien (zB Knochenzement) 2,3 untersucht. Entscheidend für den Erfolg einer Tissue-Engineering-Ansatz ist ein Gerüst mit einem bestimmten Satz von Eigenschaften. Erstens, um die Osseointegration zu erreichen, muss das Gerüst engem Kontakt mit angrenzenden Knochengewebe 4 zu bilden. Das Gerüst sollte auch osteokonduktive werden, wodurch die Zellmigration, Nährstoffdiffusion und neotissue Abscheidung 4,5. Dieses Verhalten ist in der Regel mit biologisch abbaubaren sca erreichtffolds die eine hochgradig vernetzten Porenmorphologie. Schließlich sollte das Gerüst bioaktiven sein, um die Integration und Bindung mit umgebenden Knochengewebe 5 zu fördern.
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um eine Gewebetechnik Gerüst mit diesen Eigenschaften herzustellen. Wichtig ist, weist dieses Gerüst die Fähigkeit, "self-fit" in unregelmäßige CMF Defekte aufgrund seiner Formgedächtnisverhalten 6. Thermoresponsive Formgedächtnispolymere (SMP) sind dafür bekannt, Formänderung bei Belichtung unterziehen, um zu heizen 7,8. SMPs sind von "Netzpunkte" (dh chemische oder physikalische Vernetzungen), die die permanente Form und "Schaltsegmente", die die temporäre Form zu erhalten und wiederherzustellen die permanente Form festzustellen, besteht. Die Schaltsegmente weisen eine Wärmeübergangstemperatur (T trans) entspricht, entweder die Glasübergangs (Tg) oder Schmelzübergang (Tm) des Polymers. AlsFolglich können SMPs nacheinander in eine temporäre Form bei T> T trans, in der temporären Form bei T <T trans fixiert verformt werden und wiedergewonnen, um die permanente Form bei T> T trans. Somit wird ein SMP-Gerüst "Selbst-Montage" in einem CMF Defekt erreichen könnte wie folgt 6. Nach der Belichtung mit warmer Kochsalzlösung (T> T trans), wäre ein SMP-Gerüst werden zu formbaren, wodurch eine allgemein vorbereiteten zylindrischen Gerüst Hand gepressten in einem unregelmäßigen defekt sein, mit Formrück Förderung Expansion des Gerüsts des Mangels Grenze. Beim Abkühlen (T <T trans), würde das Gerüst seiner relativ starrer Zustand zurück, mit Formstarrheit seiner neuen temporären Form innerhalb des Defekts erhalten bleibt. In diesem Protokoll wird ein SMP-Gerüst von Polycaprolacton (PCL) hergestellt, ein biologisch abbaubares Polymer intensiv untersucht für die Geweberegeneration und andere biomedizinische Anwendungen 9-11. Für Formgedächtnis, the T m von PCL dient als die T trans und variiert zwischen 43 und 60 ºC, abhängig vom Molekulargewicht des PCL 12. In diesem Protokoll wird die T trans (dh T m) des Gerüstes beträgt 56,6 ± 0,3 ºC 6.
Um Osteokonduktivität zu erreichen, wurde ein Protokoll entwickelt, um PCL-basierten SMP Gerüste mit stark miteinander verbundenen Poren auf der Basis eines Lösungsmittelgießen Partikel-Laugung (SCPL) Methode 6,13,14 zu machen. Polycaprolacton-diacrylat (PCL-DA) (M n = ~ 10.000 g / mol) wurde verwendet, um eine schnelle, photochemischen Vernetzung zu ermöglichen, und wurde in Dichlormethan (DCM) gelöst, um Lösungsmittel-Gießen über der Salzvorlage ermöglichen. Nach der photochemischen Härtung und Lösungsmittelverdampfung wurde das Salz Vorlage durch Auslaugen in Wasser entfernt. Die durchschnittliche Salzgröße regelt Gerüstporengröße. Wichtig ist, das Salz-Vorlage mit Wasser verschmolzen wurde vor der Lösungsmittel-Gießen zur Poren interconnectivi erreichenty.
Bioaktivität wurde auf Porenwänden 6 zu der SMP-Gerüst durch die in situ-Bildung eines polydopamine Beschichtung verliehen wird. Bioaktivität wird häufig durch Einschluß von Glas oder Glaskeramik-Füllstoffe 15 in Gerüste eingebracht. Doch diese können zu unerwünschten spröden mechanischen Eigenschaften zu geben. Dopamin ist gezeigt worden, um eine haftende, dünne polydopamine Schicht auf einer Vielzahl von Substraten 16-19 bilden. In diesem Protokoll wurde die SMP Gerüst einer leicht basischen Lösung (pH = 8,5) von Dopamin zogen, um eine Beschichtung von polydopamine nanothick auf allen Porenwandoberflächen 6 bilden. Zusätzlich zur Verbesserung Oberflächenhydrophilie für verbesserte Zelladhäsion und Ausbreitung hat polydopamine gezeigt worden bioaktiven in Bezug auf die Bildung von Hydroxyapatit (HAp) bei Belichtung mit simulierter Körperflüssigkeit (SBF) 18,20,21 sind. In einem letzten Schritt wird das beschichtete Gerüst ausgesetzt Behandlung bei 85 ºC (T> T trans) wh erhitzenich führt zu Verdichtung Schafott. Wärmebehandlung wurde bereits erwähnt die für Gerüstformgedächtnisverhalten zu sein, möglicherweise aufgrund PCL kristallinen Domänen Reorganisation um eine größere Nähe 14.
Wir beschreiben außerdem die Methoden, um die Selbstsitz Verhalten innerhalb einer unregelmäßigen Modell Defekt zu charakterisieren, Formgedächtnisverhalten in Bezug auf Belastung gesteuerte zyklische thermomechanische Druckversuche (dh Wiederherstellung der Form und Gestalt Festigkeit), Porenmorphologie und In-vitro-Bioaktivität. Strategien zur Gerüsteigenschaften maßzuschneidern werden ebenfalls vorgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines polydopamine beschichtet, PCL basierende Gerüst deren Selbstschlüssige Verhalten sowie Osteoinduktivität und Bioaktivität, macht es von Interesse bei der Behandlung von irregulären CMF Knochendefekten. Aspekte des Protokolls kann verändert werden, um verschiedene Gerüst Merkmale ändern.
Das Protokoll beginnt mit Acrylierung eines PCL-diol zur UV-Härtung zu ermöglichen. In der dargestellten Beispiel ist das PCL-diol M n ~ …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der Texas A & M University Engineering and Experiment Station (TEES) für die finanzielle Unterstützung dieser Forschung. Lindsay Nail dankt Unterstützung von der Texas A & M Universität Louis Stokes Allianz für Minderheitsbeteiligung (LSAMP) und der National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship Program (GRFP). Dawei Zhang dank der 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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