Tillverkning av ett bioaktivt, PCL-baserade "Självpassande" formminne polymerskelettet
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
För närvarande anses vara den gyllene standarden för kranio-maxillofacial (CMF) bendefekt behandlingar, är transplantation av skördade autologa transplantat hindras av komplicerade ympning förfaranden, givarstället sjuklighet och begränsad tillgänglighet 1. En särskild svårighet är att forma och fixera den styva autograft tätt i defekten för att få osseointegration och för att förhindra graft resorption. Tissue engineering har undersökts som en alternativ strategi för att autotransplantation och syntetiska bensubstitut (t.ex. bencement) 2,3. Kritiskt för framgången för en vävnadsteknik tillvägagångssätt är en byggnadsställning med en specifik uppsättning av egenskaper. Först, i syfte att uppnå osseointegration, måste byggnadsställningen bildar nära kontakt med intilliggande benvävnad 4. Ställningen bör också vara osteokonduktivt, tillåter cellmigration, närings diffusion och neotissue avsättning 4,5. Detta beteende är i allmänhet uppnås med biologiskt nedbrytbar scaffolds uppvisar en tätt sammanlänkad por morfologi. Slutligen bör ställningen vara bioaktiva för att främja integration och bindning med omgivande benvävnaden 5.
Här presenterar vi ett protokoll för att förbereda en tissue engineering byggnadsställning med dessa egenskaper. Viktigt, uppvisar denna ställningen förmåga att "själv-fit" i oregelbundna CMF defekter på grund av dess formminnesbeteende 6. Termoresponsiv formminnespolymerer (SMP) är kända att undergå formförändring vid exponering för värme 7,8. SMP består av "netpoints" (dvs. kemiska eller fysikaliska tvärbindningar) som bestämmer permanent form och "kopplingssegment" som upprätthåller den temporära formen och återställa den permanenta formen. Omkopplingssegmenten uppvisar en termisk övergångstemperatur (Tövergång) motsvarande antingen glasövergångs (Tg) eller smält övergång (Tm) för polymeren. Somett resultat kan SMPs sekventiellt deformeras till en temporär form vid T> Tövergång, fixerades i den temporära formen vid T <Tövergång och utvanns till den permanenta formen vid T> Tövergång. Sålunda kunde en SMP schavotten uppnå "self-montering" inom en CMF defekt enligt följande sex. Efter exponering för varm saltlösning (T> Tövergång), en SMP byggnadsställning skulle bli smidbart, medger en allmänt iordningställda cylindriska byggnadsställning för hand pressas in en oregelbunden defekt, med formåtervinning främja expansion av byggnadsställningen till defekten gränsen. Vid kylning (T <träns), skulle ställningen återvända till dess relativt styvare tillstånd, med formen oföränderlighet behålla sin nya temporära formen inom defekten. I detta protokoll är en SMP klätterställning framställd från polykaprolakton (PCL), en biologiskt nedbrytbar polymer studerats ingående för vävnadsregenerering och andra biomedicinska tillämpningar 9-11. För formminne, the Tm för PCL tjänar som Tövergång och varierar mellan 43 och 60 ° C, beroende på molekylvikten för PCL 12. I detta protokoll Tövergång (dvs. Tm) av ställningen är 56,6 ± 0,3 ºC 6.
För att uppnå osteokonduktivitet ades ett protokoll som utvecklats för att göra PCL-baserade SMP ställningar med starkt sammanbundna porer baserat på ett lösningsmedelsgjutning partikelformig-urlakning (SCPL) -metoden 6,13,14. Polykaprolakton diakrylat (PCL-DA) (Mn = ~ 10 tusen g / mol) användes för att medge snabb, fotokemisk tvärbindning och löstes i diklormetan (DCM) för att tillåta lösningsmedelsgjutning över salt mallen. Efter fotokemisk härdning och lösningsmedelsavdunstning, ades saltet mall avlägsnas genom läkning i vatten. Den genomsnittliga saltstorlek reglerar ställningen porstorlek. Viktigt var salt mallen smält med vatten före lösningsmedels gjutning att uppnå por interconnectivity.
Bioaktivitet applicerades på den SMP-ställningen genom in situ bildning av en polydopamine beläggning på porväggarna 6. Bioaktivitet ofta införes i byggnadsställningar genom införlivandet av glas eller glaskeramiska fyllmedel 15. Dessa kan dock ge upphov till oönskade spröda mekaniska egenskaper. Dopamin har visats för att bilda en vidhäftande, tunn polydopamine skikt på en mängd olika substrat 16-19. I detta protokoll var SMP ställningen utsattes för en svagt basisk lösning (pH = 8,5) av dopamin för att bilda en nanothick beläggning av polydopamine på alla por väggytor 6. Förutom att förbättra ythydrofilicitet för förbättrad vidhäftning cell och spridning har polydopamine visat sig vara bioaktiva när det gäller bildandet av hydroxyapatit (HAp) vid exponering för simulerad kroppsvätska (SBF) 18,20,21. I ett sista steg, är den belagda ställningen utsätts för värmebehandling vid 85 ° C (T> Tövergång) which leder till scaffold förtätning. Värmebehandling har nämnts tidigare att vara väsentlig för byggnadsställning formminnesbeteende, kanske på grund av PCL kristallina områden omorganisera till närmare närhet 14.
Vi beskriver dessutom metoder för att karakterisera själv passande beteende inom en oregelbunden modell defekt, formminnes beteende när det gäller spänningsstyrda cyklisk termisk mekanisk kompressionsprov (dvs form återhämtning och forma oföränderlighet), por morfologi, och in vitro bioaktivitet. Strategier för att skräddarsy ställnings egenskaper presenteras också.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver framställningen av en polydopamine belagd, PCL-baserade byggnadsställning vars själv passande beteende, liksom osteoinduktivitet och bioaktivitet, gör det intressant för behandling av oregelbundna CMF bendefekter. Aspekter av protokollet kan ändras för att ändra olika ställningsfunktioner.
Protokollet börjar med akryle av en PCL-diol att tillåta UV-härdning. I det rapporterade exemplet är PCL-diol M n ~ 10000 g / mol. Men genom att på lämpl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Texas A & M University Engineering och Experiment Station (TRÖJA) för finansiellt stöd av denna forskning. Lindsay Nail är tacksam stöd från Texas A & M University Louis Stokes alliansen för minoriteters deltagande (LSAMP) och National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship Program (GRFP). Dawei Zhang tackar Texas A & M University Disputation 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 |
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).
