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.
Sin una próspera población activa, célula que está bien distribuido y estable anclada a la plantilla insertada, no se produce la regeneración ósea excepcional. Con las plantillas convencionales, la ausencia de micro-canales internos resultado en la falta de infiltración de células, la distribución y inhabitance profundamente dentro de las plantillas. Por lo tanto, una plantilla altamente poroso y uniformemente interconectado trabecular-similar al hueso con micro-canales (plantilla microambiente biogénico; BMT) ha sido desarrollado para hacer frente a estos obstáculos. La novela BMT fue creado por conceptos innovadores (acción capilar) y fabricado con una técnica de recubrimiento de esponja plantilla. El trasplante de médula ósea consiste en varios componentes estructurales:-poros primarios interconectadas (300-400 micras) que imitan poros en hueso trabecular, micro-canales (25-70 micras) dentro de cada trabécula y nanoporos (100-400 nm) en el la superficie para permitir que las células para anclar. Por otra parte, el trasplante de médula ósea ha sido documentada por el estudio prueba mecánica para tener simILAR propiedades de resistencia mecánica a las del hueso trabecular humana (~ 3,8 MPa) 12.
El BMT exhibió alta absorción, retención y morada de las células a través de las plantillas (pi) en forma de puente (3 cm de altura y 4 cm de longitud). Las células que estaban inicialmente sembradas en un extremo de las plantillas inmediatamente movilizados al otro extremo (10 cm de distancia) por acción capilar del BMT en el medio celular. Después de 4 horas, las células homogéneamente ocuparon todo el BMT y exhiben comportamiento celular normal. La acción capilar representó la infiltración de las células suspendidas en los medios de comunicación y la distribución (migración activa) en todo el TMO. Habiendo observado estas capacidades del BMT, proyectamos que BMTs absorberá células de médula ósea, factores de crecimiento y nutrientes desde la periferia en condiciones fisiológicas.
El trasplante de médula ósea puede resolver las limitaciones actuales a través de la infiltración rápida, la distribución homogénea y inhabitana de las células en las plantillas grandes y volumétricos para reparar defectos óseos masivos.
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.
Se necesita una plantilla de varios componentes incluyendo las células, factores de crecimiento, nutrientes, etc. para la regeneración ósea exitoso y restauración funcional de los defectos óseos grandes críticos de tamaño. Dentro de estos factores, propiedades biológicas anatómicamente conformes son esenciales. Para lograr la funcionalidad biológica, la plantilla debe exhibir biocompatibilidad, osteoconductividad, integridad mecánica, área de superficie suficiente, adecuada textura de la superficie, y los medios para el transporte de nutrientes y oxígeno. A nivel celular, las siguientes características son especialmente crucial para la restauración funcional de los defectos óseos masivos: la penetración facilitado en plantilla (reclutamiento activo), la distribución uniforme en toda la plantilla (de retención), la proliferación acelerada y alta viabilidad (morada). Por último, la subsiguiente formación de matriz extracelular sustancial y el desencadenamiento de la expresión génica son cruciales en los procesos biológicos esenciales, tales como la rápida vascularización unaosteogénesis nd.
Se han propuesto muchos tipos diferentes de sustitutos sintéticos para reemplazar / asignaciones injertos óseos auto-. Sin embargo, la organización andamio actual no presenta un microambiente interno que contiene micro-canales y nano-poros, y por lo tanto no facilita la infiltración de células activamente, distribución y inhabitance profundamente en los sustitutos sintéticos que son mayores que 10 mm. No proporcionan señales físicas por ser pionero en las células de manera eficiente, migrar rápidamente y uniformemente profundamente en la plantilla de los huesos. En su lugar, el reclutamiento pasiva limitado de células crea una poblaciones de células distribuidas de manera desigual entre las zonas exteriores e interiores del andamio. Esto no sólo agrava el desafío inicial de las células alcanzan el núcleo interno de la plantilla, pero también dificulta el flujo de nutrientes y la comunicación celular con el otro extremo del sustituto sintético. Este tipo de contratación y habitar resultados celulares desproporcionada en la celda death y huesos incompletos crecimiento tras el andamio ha sido implantado en el cuerpo 14,15.
Por lo tanto, hemos introducido el concepto de acción capilar como la señal física primaria para abordar estos obstáculos. Hemos diseñado minuciosamente microcanales en el trasplante de médula ósea para inducir la acción capilar que tener en cuenta la fuerza de arrastre principal responsable de reclutar activamente a las células profundas en el trasplante de médula ósea.
La técnica de recubrimiento esponja PU presenta varias propiedades únicas. En primer lugar, permite una fácil preparación de las estructuras trabeculares porosas bien controlados, que a su vez dependen de las estructuras de plantilla predefinida (es decir, 80 poros por pulgada plantilla para de 300-400 micras). Esto es muy importante para la optimización de tamaño de poro para la infiltración de los osteoblastos 15. En segundo lugar, la técnica permite la construcción de micro-canales interconectados, que representan el papel importante de la inicialización de reubicación celular 11. En tercer lugar, casi no hay limitaciones cuando se utiliza la esponja PU en términos de creación de formas y tamaños de las plantillas personalizadas. El fabricante puede utilizar una tijera de formas simples o de corte por láser, incluso computarizada para geometrías complejas. El uso de estas tecnologías controladas con precisión, creamos el TMO. HA fue seleccionado como el material de partida debido a su biocompatibilidad y la capacidad osteoconductiva 17.
En este estudio, hay varios pasos críticos que deben ser destacados. Durante la preparación de la suspensión HA, si la temperatura es demasiado alta y la velocidad de agitación es demasiado baja, la suspensión HA se quedarán atascados en los bordes inferiores de la vaso de precipitados y se secan. Después del proceso de revestimiento cuando se sopla hacia fuera el exceso de suspensión HA, demasiado alto de una presión de aire puede inducir grietas en la superficie del BMT. Es importante mantener la presión de aire relativamente baja para ventilar adecuadamente el exceso de lechada Sólo AH. Por último, la segunda y la tercera etapas del proceso de sinterizaciónson más crucial (Heat 1 ° C / min hasta 280 ° C y calor 0,5 ° C / min hasta 400 ° C). En este rango de temperatura, la esponja PU se quema por completo, mientras que el HA se vuelve denso. Si este protocolo no se sigue de cerca, el BMT se colapsó o se derrumbó después de la sinterización.
El BMT se describe en este estudio ofrece varias ventajas. En primer lugar, los macroporos interconectados (300-400 micras) son similares a los del hueso trabecular humana y permite el flujo de la médula ósea suave. En segundo lugar, las plantillas se componen de micro-canales (25-50 micras) dentro de cada tabique trabecular para acelerar la penetración inicial de las células óseas a través de la acción capilar. Como se ha demostrado mediante simulación computacional 13, si la plantilla sólo tenía 300 micras poros (poros primarios) y no hay microcanales, la acción capilar sería insuficiente para la saturación completa de la plantilla con la médula ósea. Esto sería especialmente cierto para los defectos de gran tamaño que requieren lplantillas de tamaño arge. De tamaño micrométrico canales exhiben absorción de líquidos altamente efectivo, y por lo tanto espera que los microcanales a ser el principal responsable de la acción capilar en nuestro estudio. En tercer lugar, nuestros BMTs han colocado estratégicamente nano-poros. Los datos de la literatura indican que las células son especialmente sensibles a nano-patrones 18,19; Por lo tanto, esperábamos las nano-poros en las paredes de los microcanales para jugar un papel en el aumento de la unión celular. Poros de tamaño nanométrico (de 100-400 nm) en la superficie de los septos trabecular permitió células para anclar inmovilizado. En general, los efectos combinados de estas tres estructuras internas resultaron en una mayor movilización de células y la adhesión a lo largo de la plantilla. Sin embargo, hay algunas limitaciones del protocolo y los pasos críticos para fabricar el BMT perfecto. Por ejemplo, a menudo hay una gran cantidad de HA suspensión preparada debido a la dificultad de mantener una viscosidad homogénea mientras recubrimiento. También hay una limitación en la fabricaciónplantillas de más de 5 cm 3 de volumen debido al tiempo de trabajo, mientras recubrimiento. El espesor del recubrimiento es crítico que varía en función de las técnicas del fabricante.
Los resultados de nuestro estudio sugieren que el trasplante de médula ósea capaces de absorber y retener las células ofrecen potenciales ventajas sobre aloplástica convencional (o sintético) andamios. Un estudio prospectivo se está considerando para verificar los beneficios de BMT en la osteogénesis y / o angiogénesis junto con factores de crecimiento relacionados con el hueso. Por lo tanto, afirmamos que nuestra única andamio BMT ofrecido puede abordar los principales obstáculos de la infiltración de la médula ósea insuficiente en las construcciones sintéticas y regeneración ósea incompleta en grandes defectos.
El objetivo final de este estudio es el de simplificar el actual paradigma de la bioingeniería en la reconstrucción ósea y la restauración funcional en defectos óseos críticos empresas al eliminar la necesidad de estroma de la médula ósea tiempo- / mano de obra intensivaaislamiento l células y expansión procesos. Por último, nuestro objetivo es utilizar anatómicamente conforme 3D construcciones con micro-canales y nano-poros, que inducen una rápida absorción celular, distribución homogénea y habitabilidad para la reconstrucción del hueso.
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 |