Fabricage van een biologisch actief, PCL-based "Self-fitting" Shape Memory Polymer Steiger
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
Momenteel beschouwd als de gouden standaard van cranio-maxillofaciale (CMF) botdefect behandelingen, is transplantatie van geoogst autologe transplantaten gehinderd door complexe enten procedures, donorplaats morbiditeit en beperkte beschikbaarheid 1. Een bijzonder probleem is het vormgeven en de vaststelling van de starre autograft stevig in het defect om osseointegratie te verkrijgen en graft resorptie te voorkomen. Tissue engineering is onderzocht als een alternatieve strategie om autografting en synthetische botvervangers (bv botcement) 2,3. Cruciaal voor het succes van een tissue engineering aanpak is een steiger met een bepaalde set eigenschappen. Ten eerste, om osseointegratie te bereiken, moet het schavot nauw contact met aangrenzend botweefsel 4 vormen. Het schavot moet ook osteoconductief zijn, waardoor celmigratie, diffusie van voedingsstoffen en neotissue depositie 4,5. Dit gedrag wordt algemeen bereikt met biologisch afbreekbare SCAffolds vertonen een sterk onderling verbonden poriën morfologie. Tenslotte moet het schavot bioactief zijn om integratie en binding bevorderen omliggende botweefsel 5.
Hier presenteren we een protocol bij een tissue engineering scaffold met deze eigenschappen te bereiden. Belangrijk is dat deze scaffold vertoont het vermogen tot "zelf-fit" in onregelmatige CMF beschadigingen als gevolg van het vormgeheugen gedrag 6. Thermoresponsieve vormgeheugen polymeren (SMP) is bekend dat vormverandering ondergaan bij blootstelling aan hitte 7,8. SMP bestaan uit "netpoints" (dwz chemische of fysische verknopingen) waar de vaste vorm en "switching segmenten", die de tijdelijke vorm te behouden en te herstellen van de permanente vorm te bepalen. De schakelsegmenten vertonen een thermische overgangstemperatuur (T trans) die behoren tot de glasovergang (Tg) of smeltovergang (Tm) van het polymeer. AlsHierdoor kunnen SMP's achtereenvolgens worden vervormd tot een tijdelijke vorm bij T> T trans, in de tijdelijke vorm bij T <T trans vaste en hersteld tot de vaste vorm bij T> T trans. Zo zou een SMP scaffold "self-fitting" als volgt 6 te bereiken binnen een CMF defect. Na blootstelling aan warme zoutoplossing (T> T trans), zou een SMP steiger kneedbaar geworden, waardoor een generiek bereid cilindrische steiger aan de hand gedrukt in een onregelmatige defect zijn, met terugwinning vorm bevorderen uitbreiding van de steiger om het defect grens. Na afkoelen (T <T trans), zou het schavot terugkeren naar zijn relatief stijvere toestand met de vorm vastheid handhaven van zijn nieuwe tijdelijke vorm in het defect. In dit protocol wordt een SMP scaffold bereid uit polycaprolacton (PCL), een biologisch afbreekbaar polymeer uitgebreid bestudeerd voor weefselregeneratie en andere biomedische toepassingen 9-11. Voor het geheugen vorm, the Tm van PCL dient als T trans- en varieert tussen 43 en 60 ° C, afhankelijk van het molecuulgewicht van de PCL 12. In dit protocol, de T trans (dwz T m) van de steiger is 56,6 ± 0,3 ºC 6.
Om osteoconductiviteit te bereiken, werd een protocol ontwikkeld om PCL-gebaseerde SMP steigers met sterk onderling verbonden poriën gebaseerd op een methode 6,13,14-solvent casting deeltjes-uitloging (SCPL) te maken. Polycaprolacton diacrylaat (PCL-DA) (Mn = ~ 10000 g / mol) werd gebruikt om snelle, fotochemische verknoping mogelijk te maken en werd opgelost in dichloormethaan (DCM) om oplosmiddel-gieten via zout sjabloon toe. Volgende fotochemische cure en verdamping van het oplosmiddel, werd het zout template verwijderd door uitspoeling in het water. De gemiddelde grootte van zout regelt steiger poriegrootte. Belangrijk is dat het zout template versmolten met water voorafgaand aan de oplosmiddel-gieten om porie interconnectivi bereikenty.
Bioactiviteit werd bijgebracht de SMP steiger door de in situ vorming van een polydopamine bekleding op poriewanden 6. Biologische activiteit wordt vaak ingebracht in scaffolds door de opname van glas of glaskeramiek vullers 15. Desalniettemin kunnen leiden tot ongewenste brosse mechanische eigenschappen te geven. Dopamine is aangetoond dat een hechtende, polydopamine dunne laag op allerlei substraten 16-19 vormen. In dit protocol werd het SMP scaffold onderworpen aan een licht basische oplossing (pH = 8,5) van dopamine een nanothick bekleding van polydopamine alle poriën wandoppervlakken 6 vormen. Naast de verbetering oppervlakte hydrofiliciteit voor betere celadhesie en spreiding is polydopamine aangetoond bioactieve wat betreft de vorming van hydroxyapatiet (HAp) na blootstelling aan gesimuleerde lichaamsvloeistof (SBF) 18,20,21 te zijn. In een laatste stap wordt het beklede scaffold blootgesteld aan een warmtebehandeling bij 85 ° C (T> T trans) whIch leidt tot verdichting schavot. Warmtebehandeling werd eerder opgemerkt essentieel voor het geheugen steiger vorm van gedrag te zijn, misschien te wijten aan PCL kristallijne domeinen reorganiseren om dichter 14.
We beschrijven tevens de werkwijzen om het zelf-fitting gedrag in een onregelmatige model defect kenmerkend vormgeheugen gedrag qua-stam gecontroleerde cyclische thermische mechanische compressietests (dwz vormherstel en vorm vastheid), poriën morfologie en in vitro bioactiviteit. Strategieën om steiger eigenschappen op maat worden ook gepresenteerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft de bereiding van een polydopamine bekleed, PCL gebaseerde scaffold wiens eigen fitting gedrag, alsmede osteoinductiviteit en bioactiviteit, maakt het van belang bij de behandeling van onregelmatige CMF botdefecten. Aspecten van het protocol kan worden gewijzigd om verschillende schavot functies veranderen.
Het protocol begint met acrylering van een PCL-diol UV uitharding mogelijk. In de gerapporteerde voorbeeld de PCL-diol Mn ~ 10000 g / mol. Echter, door h…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Texas A & M University Engineering en Experiment Station (TEE) voor de financiële ondersteuning van dit onderzoek. Lindsay Nagel erkent dankbaar steun van de Texas A & M University Louis Stokes Alliantie voor Minority Participatie (LSAMP) en de National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship Program (GRFP). Dawei Zhang dankzij de Texas A & M University Proefschrift 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).
