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.
Uten en aktiv, blomstrende cellepopulasjon som er godt fordelt og stabilt forankret til den innsatte malen, ikke eksepsjonell benregenerering ikke forekomme. Med konvensjonelle maler, fravær av interne mikro-kanaler resulterer i mangel på celleinfiltrasjon, distribusjon og inhabitance dypt inne malene. Derfor en svært porøs og jevnt vevd trabekulær-bone-lignende mal med mikro-kanaler (biogene mikro mal; BMT) har blitt utviklet for å håndtere disse hindringene. Romanen BMT ble skapt av innovative konsepter (kapillær handling) og fabrikkert med en svamp-mal belegg teknikk. Den BMT består av flere strukturelle komponenter: sammenhengende primære porer (300-400 mikrometer) som etterligner porene i trabeklære ben, mikro-kanaler (25-70 mm) innenfor hver trabekler og nanopores (100-400 nm) på overflaten slik at cellene til å forankre. Videre har BMT blitt dokumentert av mekanisk test studie for å ha simILAR mekanisk styrkeegenskaper til de av menneskelig trabekulær bein (~ 3,8 MPa) 12.
Den BMT utstilt høy absorpsjon, oppbevaring og bosetting av celler i hele broen formede (II) maler (3 cm høyde og 4 cm lengde). Cellene som i utgangspunktet var sådd i en ende av malene umiddelbart mobilisert til den andre enden (10 cm avstand) ved kapillærvirkning av BMT på cellemediet. Etter 4 timer ble cellene homogent okkupert hele BMT og oppviste normal cellulær oppførsel. Kapillarkrefter sto for infiltrasjon av cellene suspendert i media og distribusjon (aktiv migrasjon) i hele BMT. Etter å ha observert disse egenskapene til BMT anslår vi at BMTS vil absorbere benmargceller, vekstfaktorer og næringsstoffer fra periferien under fysiologiske betingelser.
Den BMT kan løse dagens begrensninger via rask infiltrasjon, homogen distribusjon og inhabitaNCE av celler i store, volumetriske maler for å reparere massive skjelettskader.
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.
En flerkomponent mal inkludert celler, vekstfaktorer, næringsmidler, etc. er nødvendig for vellykket benregenerering og funksjonell restaurering av kritiske størrelse større bendefekter. Innenfor disse faktorene, anatomisk Conforming biologiske egenskaper er avgjørende. For å oppnå biologisk funksjon, må malen oppvise biokompatibilitet, osteoconductivity, mekanisk integritet, tilstrekkelig overflateareal, tilstrekkelig overflatestruktur, og midlene for oksygen og nærings transport. På cellenivå, er følgende funksjoner er spesielt viktig for funksjonelle restaurering av massive bein defekter: tilrettelagt inntrengning i malen (aktiv rekruttering), jevn fordeling over hele malen (oppbevaring), akselerert spredning og høy levedyktighet (bolig). Til slutt, den etterfølgende dannelse av betydelige ekstra cellulær matrix, og utløsning av genekspresjon er avgjørende viktige biologiske prosesser, slik som en hurtig vaskulariseringnd osteogenesis.
Mange forskjellige typer syntetiske substitutter har vært foreslått å erstatte auto- / allo- bein grafts. Men den nåværende stillaset organisasjonen ikke viser en intern mikromiljø som inneholder mikrokanaler og nano-porene, og derfor ikke aktivt lette celleinfiltrasjon, distribusjon og inhabitance dypt inn i syntetiske erstatninger som er større enn 10 mm. De gir ikke fysiske signaler for banebrytende celler til effektivt, raskt og jevnt migrere dypt inn i beinet mal. I stedet, den begrensede passive rekruttering av celler som danner en ujevnt fordelt cellepopulasjoner mellom de ytre og indre deler av stillaset. Dette forverrer ikke bare den innledende utfordringen av cellene nådde den indre kjerne av malen, men også hindrer næringsflyt og celle-kommunikasjon med den andre enden av det syntetiske erstatning. Denne typen uforholdsmessig celle rekruttering og bosetting resultater i celle dEath og ufullstendig benvekst etter at stillaset er implantert i kroppen 14,15.
Derfor har vi innført begrepet Kapillarkrefter som den primære fysiske kø for å løse disse hindringene. Vi har grundig utviklet mikrokanaler i BMT å indusere kapillærvirkningen som vil stå for den primære dregging kraft ansvarlig for aktivt å rekruttere celler dypt inn i BMT.
PU svamp belegningsteknikk presenterer flere unike egenskaper. Først gir det mulighet for en enkel tilberedning av velkontrollerte porøse trabekulære strukturer, som selv er avhengig av de forhåndsdefinerte mal strukturer (dvs. 80 pore per inch mal for 300-400 nm). Dette er svært viktig for å optimalisere porestørrelse for osteoblast infiltrasjon 15. For det andre gjør teknikken bygging av sammenhengende mikro-kanaler, som står for den betydelige rolle initialisering celle flytting 11. For det tredje, det er nesten ingen begrensninger når du bruker PU svamp når det gjelder å lage tilpassede former og størrelser av malene. Maker kan bruke en saks for enkle figurer eller beregnede laserskjæring for komplekse geometrier. Ved hjelp av disse nøyaktig kontrollerte teknologier, skapte vi BMT. HA ble valgt som utgangsmateriale på grunn av dets biokompatibilitet og osteoconductive kapasitet 17.
I denne studien er det flere viktige skritt som må markeres. Under HA slurry preparatet, hvis temperaturen er for høy, og omrøringshastigheten er for lav, vil HA oppslemmingen bli sittende fast på den nedre kanten av begeret og tørke opp. Etter belegningsprosessen ved å blåse ut det overskytende slurry HA, kan for høy for et lufttrykk indusere sprekker på overflaten av BMT. Det er viktig å holde lufttrykket forholdsvis lav til riktig lufte ut overskytende HA oppslemmingen bare. Til slutt, det andre og tredje trinn i sintringsprosessener mest avgjørende (Heat 1 ° C / min til 280 ° C og varme 0,5 ° C / min til 400 ° C). I dette temperaturområdet vil PU svampen fullstendig forbrent, mens HA blir tett. Hvis denne protokollen ikke er tett fulgt, vil BMT bli kollapset eller smuldret etter sintring.
Den BMT er beskrevet i denne studien har flere fordeler. For det første inter-forbundet makroporer (300-400 um) etterligne de av human trabekulært ben og gir jevn benmarg flyt. For det andre er malene består av mikro-kanaler (25-50 um) i hver trabekulært septum til å akselerere den første inntrengning av benceller via kapillarvirkning. Som vist ved hjelp av beregnings simulering 13, hvis malen hadde bare 300 um porer (primære porene) og ingen mikrokanaler, vil kapillarvirkningen være utilstrekkelig for fullstendig metning av malen med benmargen. Dette vil spesielt gjelder for store størrelse defekter som ville kreve large størrelse maler. Mikrometerstore kanaler utstillings svært effektiv væskeopptaket, og dermed vi forventet mikrokanaler for å være hovedansvarlig for kapillærvirkningen i vår studie. For det tredje har våre BMTS strategisk plassert nano-porene. Data fra litteraturen indikerer at celler er spesielt følsomme for nano mønstre 18,19; derfor forventet vi at nano porer på veggene av mikro-kanaler for å spille en rolle i å øke cellefesting. Nano-størrelse porer (100-400 nm) på overflaten av den trabeklære septa tillatt immobiliserte celler til ankeret. Alt i alt, de kombinerte virkninger av disse tre indre strukturer resulterte i forbedret celle-mobilisering og adhesjon gjennom malen. Det er imidlertid noen begrensninger i protokollen og de kritiske trinn å dikte den perfekte BMT. For eksempel, er det ofte en stor mengde HA velling fremstilt på grunn av vanskelighetene med å holde en homogen viskositet mens belegg. Også er det en begrensning i å gjøremaler større enn 5 cm 3 i volum som følge av arbeidstiden, mens belegget. Beleggtykkelsen er kritisk som varierer avhengig av maker teknikker.
Resultatene av vår studie antyder at BMT istand til å absorbere og holde på celler vil gi potensielle fordeler fremfor konvensjonelle alloplastic (eller syntetisk) stillaser. En prospektiv studie blir vurdert å verifisere fordelene ved BMT på osteogenesis og / eller angiogenese sammen med bein relaterte vekstfaktorer. Derfor hevder vi at vår unike kjennetegnet BMT stillaset kan adressere de store barrierene av utilstrekkelig benmarg infiltrasjon i de syntetiske konstruerer og ufullstendig benregenerering i store defekter.
Det endelige målet med denne studien er å forenkle den nåværende paradigme bioteknologi i bein gjenoppbygging og funksjonelle restaurering i kritisk store beinskader ved å eliminere behovet for tids- / arbeidskrevende benmarg stromal celler isolasjon og ekspansjonsprosesser. Til slutt tar vi sikte på å utnytte anatomisk konform 3D-konstruksjoner med mikro-kanaler og nanoporer, som induserer raske celle absorpsjon, homogen distribusjon, og inhabitance for rekonstruksjon av bein.
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 |