A step-by-step generic process to create a bone-like template with engineered micro-channels is presented. High absorption and retention capabilities of the template are demonstrated by capillary action via micro-channels.
Senza, fiorente popolazione attiva cella che è ben distribuito e stabilmente ancorata al modello inserito, rigenerazione ossea eccezionale non si verifica. Con i modelli convenzionali, l'assenza di micro-canali interni provoca la mancanza di infiltrazione di cellule, la distribuzione, e inhabitance nel profondo i modelli. Quindi, un modello altamente porosa e uniforme interconnessi trabecolare-simile all'osso con micro-canali (modello microambiente biogeni; BMT) è stato sviluppato per affrontare questi ostacoli. Il romanzo BMT è stato creato da concetti innovativi (azione capillare) e fabbricato con una tecnica di rivestimento spugna-modello. La BMT è costituito da diversi componenti strutturali: primarie-pori interconnessi (300-400 micron), che imitano i pori in osso trabecolare, micro-canali (25-70 micron) all'interno di ogni trabecula e nanopori (100-400 nm) sul di superficie per permettere alle cellule di ancoraggio. Inoltre, la BMT è stato documentato da studi di prova meccanica per avere simili proprietà di resistenza meccanica a quelle dell'osso trabecolare umano (~ 3,8 MPa) 12.
La BMT esposto elevato assorbimento, ritenzione, e abitazione di cellule in tutto il (¸) modelli a forma di ponte (tre centimetri di altezza e 4 cm di lunghezza). Le cellule che inizialmente sono state seminate in una estremità dei modelli immediatamente mobilitate verso l'altra estremità (10 cm di distanza) per capillarità del BMT sul supporto cellulare. Dopo 4 ore, le cellule omogeneamente occupato l'intera BMT ed esposti comportamento cellulare normale. L'azione capillare rappresentato per l'infiltrazione di cellule sospese in media e la distribuzione (migrazione attiva) in tutto il BMT. Dopo aver osservato questi capacità della BMT, proiettiamo che BMTs assorbirà cellule del midollo osseo, fattori di crescita e sostanze nutritive dalla periferia in condizioni fisiologiche.
Il trapianto di midollo osseo può risolvere le limitazioni attuali via infiltrazione rapida, distribuzione omogenea e inhabitance di cellule in grandi modelli volumetrici per riparare enormi difetti scheletrici.
The ultimate goal of bone tissue engineering with synthetic constructs is the incorporation of the constructs into the host bone, repopulation of the constructs with host cells, and reconstitution of gas and body fluid exchanges to restore normal bone function. Considerable research has been reported over the last decade in the use of polymeric and ceramic biomaterials for producing scaffolds1,2. However, the ideal material and fabrication technique for optimal bone tissue regeneration has yet to be identified. In addition, there is an overall lack of success in bringing these technologies to the clinic, especially for the reconstruction and restoration of large bone defects. Therefore, restoring critical sized bony defects still remains a clinical challenge1-5.
Ideally, the scaffolds for bone tissue regeneration should exhibit biocompatibility without causing inflammatory responses or foreign body/toxic reactions, have closely matched mechanical properties when compared to those of native bone, and possess a mechanism to allow diffusion and/or transport of ions and nutrients. Strong bonding with the host bone, dynamic bone growth, vascular ingrowth, and biodegradation of the scaffolds are equally desirable. Although the use of biodegradable polymer scaffolds has exhibited progress in terms of tissue ingrowth, there are controversies over their use for bone regeneration.
Notwithstanding these extensive efforts, the highly organized structural synthetic constructs still have limited potential in overcoming the obstacle of passive cell penetration. Most of these approaches have resulted in the in vitro tissue ingrowth with cross-sections of less than a few µm to several mm from the external surface, an incomplete integration with host bone, and only partial bone regeneration in vivo6,7. The pioneering cells do not migrate deeply into the constructs because of the lack of an initial force that pulls them inside before cell colonization begins. Consequently, cell colonization strictly occurs at the scaffold periphery, becoming an obstruction from the periphery to the center of the scaffold. Thus, the diffusion of oxygen and nutrients into the inner parts of the templates becomes limited8. Therefore, it is clear that the architecture of the scaffolds (pore size, porosity, interconnectivity, and permeability) that affect the transport and diffusion of substances throughout the scaffolds is critical for achieving well-distributed cell proliferation and differentiation9,10. Although calcium phosphates have been used in the past for scaffold fabrication, different processes and procedures have often resulted in calcium phosphate scaffolds with varying architectures. Thus, the selection of the manufacturing process becomes important in dictating the scaffold architecture needed for successful bone tissue regeneration.
In conclusion, there are still two major shortcomings of bone tissue engineering that need to be addressed: the initial cell recruitment into the template prior to cell attachment and colonization and the quality of substance flow both into and out of the template.
È necessario un modello a più componenti tra cui le cellule, fattori di crescita, sostanze nutritive, ecc per la rigenerazione ossea successo e ripristino funzionale dei grandi difetti ossei critici dimensioni. All'interno di questi fattori, anatomicamente Conformi proprietà biologiche sono essenziali. Per realizzare la funzionalità biologica, il modello deve esibire biocompatibilità, osteoconduttività, integrità meccanica, una superficie, adeguata struttura di superficie, ed i mezzi per ossigeno e trasporto dei nutrienti. A livello cellulare, le seguenti caratteristiche sono particolarmente cruciale per il ripristino funzionale di massicci difetti ossei: penetrazione facilitata nel modello (reclutamento attivo), una distribuzione uniforme in tutto il modello (retention), la proliferazione accelerata e ad alta redditività (abitazione). Infine, la successiva formazione di matrice extracellulare sostanziale e l'attivazione dell'espressione genica sono fondamentali processi biologici essenziali come la rapida vascolarizzazione unosteogenesi nd.
Molti diversi tipi di sostituti sintetici sono stati proposti per sostituire automazione / allo- innesti ossei. Tuttavia, l'organizzazione patibolo corrente non presenta un microambiente interno contenente micro-canali e nano-pori, e quindi non facilita attivamente infiltrazione di cellule, la distribuzione, e inhabitance in profondità i sostituti sintetici che sono più grandi di 10 mm. Non forniscono segnali fisici per pionieristico cellule in modo efficiente, migrare rapidamente ed uniformemente profondamente nel modello osso. Invece, il reclutamento passivo limitato di cellule crea un popolazioni cellulari inegualmente distribuiti tra le aree esterne e interne del patibolo. Questo aggrava non solo la sfida iniziale delle cellule raggiungono il nucleo interno del template, ma impedisce anche il flusso di nutrienti e comunicazione cellulare con l'altra estremità del sostituto sintetico. Questo tipo di cellule sproporzionato di reclutamento e di abitazione risultati nella cella death e ossa incompleta crescita dopo il ponteggio è stato impiantato nel corpo 14,15.
Così, abbiamo introdotto il concetto di azione capillare come spunto fisico primario per affrontare questi ostacoli. Abbiamo micro-canali accuratamente progettato nel BMT per indurre l'azione capillare che rappresenteranno la forza di trascinamento primario responsabile per attivamente reclutando cellule in profondità nel BMT.
La tecnica di rivestimento in PU spugna presenta diverse proprietà uniche. In primo luogo, permette una facile preparazione di strutture trabecolari porose ben controllati, che si dipendono strutture template predefiniti (ad esempio, 80 dei pori per ogni modello pollici per 300-400 micron). Questo è molto importante per ottimizzare la dimensione dei pori di 15 osteoblasti infiltrazione. In secondo luogo, la tecnica consente la costruzione di micro-canali interconnessi, che rappresentano il ruolo significativo di inizializzazione delocalizzazione cella 11. In terzo luogo, non ci sono quasi limiti quando si utilizza la spugna PU in termini di creazione di forme personalizzate e dimensioni dei modelli. Il produttore può utilizzare una forbice per le forme semplici o taglio laser anche calcolato per geometrie complesse. Utilizzando queste tecnologie controllate precisamente, abbiamo creato la BMT. HA è stato scelto come materiale di partenza per la sua biocompatibilità e osteoconduttiva capacità 17.
In questo studio, ci sono diversi passaggi critici che devono essere evidenziati. Durante la preparazione slurry HA, se la temperatura è troppo alta e la velocità di agitazione è troppo bassa, la poltiglia HA diventerà bloccato sui bordi inferiori del becher e asciugare. Dopo il processo di rivestimento quando soffia l'eccesso HA slurry, troppo alta di una pressione dell'aria può indurre crepe sulla superficie del BMT. È importante mantenere la pressione dell'aria relativamente bassa per aerare adeguatamente l'eccesso HA slurry solo. Infine, la seconda e terza fase del processo di sinterizzazionesono più importante (Heat 1 ° C / min fino a 280 ° C e calore di 0,5 ° C / min fino a 400 ° C). In questo intervallo di temperatura, la spugna PU sarà completamente brucia mentre l'HA diventa denso. Se questo protocollo non è seguito da vicino, la BMT sarà crollato o sbriciolato dopo la sinterizzazione.
Il BMT descritto in questo studio offre diversi vantaggi. In primo luogo, i macro-pori interconnessi (300-400 micron) imitano quelli di osso trabecolare umano e permette di regolare il flusso del midollo osseo. In secondo luogo, i modelli sono composti da micro-canali (25-50 micron) all'interno di ogni setto trabecolare per accelerare la penetrazione iniziale di cellule ossee tramite azione capillare. Come dimostrato mediante simulazione computazionale 13, se il modello aveva solo 300 micron pori (pori primari) e nessuna microcanali, l'azione capillare sarebbe insufficiente per la piena saturazione del modello con midollo osseo. Ciò soprattutto sostenere per i difetti di grandi dimensioni che richiedono lmodelli di dimensioni arge. Di dimensioni micrometriche canali mostra altamente efficace assorbimento di liquidi, e quindi ci aspettavamo le micro-canali di essere i principali responsabili per l'azione capillare nel nostro studio. In terzo luogo, i nostri BMTs sono strategicamente posizionati nano-pori. I dati della letteratura indicano che le cellule sono particolarmente sensibili alla nano-patterns 18,19; Pertanto, ci aspettavamo i nano-pori sulle pareti dei micro-canali a svolgere un ruolo per aumentare l'adesione cellulare. Pori di dimensioni nanometriche (100-400 nm) sulla superficie dei setti trabecolare ammessi cellule per ancorare immobilizzati. Nel complesso, l'effetto combinato di queste tre strutture interne portato a mobilizzazione delle cellule maggiore e l'adesione in tutto il modello. Tuttavia, ci sono alcune limitazioni del protocollo e le misure fondamentali per fabbricare la perfetta BMT. Ad esempio, vi è spesso una grande quantità di HA sospensione preparata a causa della difficoltà di mantenere una viscosità omogenea mentre rivestimento. Inoltre vi è una limitazione nel faremodelli maggiori di 5 cm 3 di volume dovuto al tempo di lavoro, mentre il rivestimento. Lo spessore del rivestimento è fondamentale che varia a seconda del produttore di tecniche.
I risultati del nostro studio suggeriscono che la BMT in grado di assorbire e trattenere le cellule offriranno vantaggi potenziali rispetto alloplastico convenzionale (o sintetico) impalcature. Uno studio prospettico viene presa in considerazione per verificare i benefici di BMT su osteogenesi e / o angiogenesi con fattori di crescita dell'osso legati. Pertanto, sosteniamo che la nostra unica funzionalità BMT impalcatura può affrontare le principali barriere di osso insufficiente osseo infiltrazione nei costrutti sintetici e rigenerazione ossea incompleta in grandi difetti.
L'obiettivo finale di questo studio è quello di semplificare l'attuale paradigma della bioingegneria per la ricostruzione ossea e ripristino funzionale di difetti ossei di dimensioni critiche, eliminando la necessità di tempo- / stroma del midollo osseo alta intensità di lavoroprocessi di cellule l isolamento e di espansione. Infine, ci proponiamo di utilizzare anatomicamente conforme 3D costrutti con micro-canali e nano-pori, che inducono un rapido assorbimento delle cellule, la distribuzione omogenea, e inhabitance per la ricostruzione dell'osso.
The authors have nothing to disclose.
The authors have no acknowledgements.
polyurethan sponge | Plastifoam | PU-3215 | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 167176 | |
Hydroxyapatite Powder | Ossgen | ||
Polyvinyl Alcoho | Sigma-Aldrich | 341584 | |
Carboxymethyl cellulose sodium salt | Sigma-Aldrich | 360384 | |
ammonium polyacrylate | Vanderbilt | DARVAN 821A | |
Glycerin | Sigma-Aldrich | G2289 |