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.
Utan en aktiv, blomstrande cellpopulation som är väl fördelade och stabilt förankrad i den insatta mallen, inte exceptionell benuppbyggnad förekommer inte. Med konventionella mallar, avsaknad av interna mikrokanaler resulterar i brist på cellinfiltration, distribution och inhabitance djupt inne mallarna. Därför en mycket porös och likformigt sammankopplade trabekulärt-benliknande mall med mikrokanaler (biogena mikro mall, BMT) har utvecklats för att ta itu med dessa hinder. Romanen BMT skapades av innovativa koncept (kapillärkraften) och tillverkas med en svamp-mall beläggningsteknik. BMT består av flera strukturella komponenter: sammankopplade primära porer (300-400 um) som efterliknar porer i trabekulärt ben, mikrokanaler (25-70 pm) inom varje trabekeln och nanoporer (100-400 nm) på yta för att tillåta cellerna att förankra. Dessutom har BMT dokumenterats genom mekanisk provning studie för att ha simnande mekaniska styrkeegenskaper till dem av humant trabekulärt ben (~ 3,8 MPa) 12.
BMT uppvisade hög absorption, behålla och boning av celler under bron formade (ti) mallar (3 cm höjd och 4 cm längd). Cellerna som tidigare varit ympades i en ände av mallarna omedelbart mobiliserade till den andra änden (10 cm avstånd) genom kapillärverkan av BMT på cellmedia. Efter 4 timmar, cellerna homogent ockuperade hela BMT och uppvisade normal cellbeteende. Kapillärverkan stod för infiltration av celler suspenderade i media och distribution (aktiv migration) hela BMT. Efter att ha observerat dessa funktionerna i BMT, projicerar vi att BMTS absorberar benmärgsceller, tillväxtfaktorer och näringsämnen från periferin under fysiologiska betingelser.
BMT kan lösa de nuvarande begränsningarna via snabb infiltration, homogen fördelning och inhabitaiou av celler i stora volym mallar för att reparera massiva skelettskador.
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.
Ett fler mall komponent inkluderande celler, tillväxtfaktorer, näringsämnen, etc. behövs för lyckad benuppbyggnad och funktionell restaurering av kritiska stora stora bendefekter. Inom dessa faktorer, anatomiskt överensstämmande biologiska egenskaper är viktiga. För att åstadkomma den biologiska funktionen måste mallen uppvisa biokompatibilitet, osteokonduktivitet, mekanisk integritet, tillräcklig yta, lämplig ytstruktur och medlen för syre och näringsämnen transport. På cellnivå, följande funktioner är särskilt viktigt för funktionell restaurering av massiva bendefekter: underlättas penetration i mallen (aktiv rekrytering), jämn fördelning över hela mallen (bevarande), snabbare spridning och hög lönsamhet (bostad). Slutligen, den efterföljande bildningen av betydande extra cellulära matrisen och utlösning av genuttryck är avgörande i viktiga biologiska processer såsom snabb vaskularisering ennd osteogenes.
Många olika typer av syntetiska substitut har föreslagits för att ersätta auto- / fördelningen bentransplantat. Men den nuvarande ställningen organisationen inte uppvisar en intern mikro innehåller mikrokanaler och nanoporer, och därför inte aktivt underlätta cellinfiltration, distribution och inhabitance djupt in i syntetiska substitut som är större än 10 mm. De ger inte fysiska ledtrådar för banbrytande celler för att effektivt, snabbt och jämnt migrera djupt i mallen benet. Istället den begränsade passiv rekrytering av celler skapas ett ojämnt fördelade cellpopulationer mellan de yttre och inre områden av byggnadsställningen. Detta förvärrar inte bara den initiala utmaningen av cellerna når den inre kärnan av mallen, utan även hindrar näringsflöde och cellkommunikation med den andra änden av den syntetiska substitut. Denna typ av oproportionerliga cell rekrytering och inhabitation resulterar i cell death och ofullständig bentillväxt efter ställningen har implanterats i kroppen 14,15.
Därför har vi infört begreppet kapillärverkan som den primära fysiska kö för att ta itu med dessa hinder. Vi har omsorgsfullt konstruerade mikrokanaler i BMT att inducera kapillärverkan som kommer att stå för den primära släpkraften på ett ansvarsfullt sätt för att aktivt rekrytera celler djupt i BMT.
PU svamp beläggningsteknik presenterar flera unika egenskaper. För det första gör det möjligt för en enkel framställning av välkontrollerade porösa trabekulära strukturer, som själva är beroende av fördefinierade mallar strukturer (dvs 80 porer per tum mall för 300-400 um). Detta är mycket viktigt för att optimera porstorlek för osteoblast infiltrering 15. För det andra, möjliggör byggandet av sammankopplade mikrokanaler, som står för den viktiga roll för att initiera cell omlokalisering 11 tekniken. För det tredje, det finns nästan inga begränsningar när du använder PU svamp när det gäller att skapa egna former och storlekar bland mallarna. Tillverkaren kan använda en sax för enkla former eller ens beräknade laserskärning för komplexa geometrier. Med hjälp av dessa precist kontrollerade teknik, skapade vi BMT. HA valdes som utgångsmaterial på grund av dess biokompatibilitet och osteokonduktiv kapacitet 17.
I denna studie, det finns flera viktiga steg som måste lyftas fram. Under framställningen HA slammet, om temperaturen är för hög och omrörningshastigheten är för låg, kommer HA slammet fastna vid nedre kanter bägaren och torka upp. Efter beläggningsprocessen när blåser ut överflödigt HA uppslamningen, kan alltför hög av ett lufttryck inducerar sprickor på ytan av BMT. Det är viktigt att hålla lufttrycket relativt lågt att korrekt luft ut överskottet HA slammet endast. Slutligen, den andra och tredje steg i sintringsprocessenär mest avgörande (Heat 1 ° C / min tills 280 ° C och värme 0,5 ° C / min tills 400 ° C). I detta temperaturintervall, kommer PU svampen helt bränna ut medan HA blir tät. Om detta protokoll inte tätt följt kommer BMT fällas ihop eller rasat efter sintring.
BMT som beskrivs i denna studie ger flera fördelar. Först, de sammankopplade makroporer (300-400 um) efterlikna de av humant trabekulärt ben och möjliggör smidig benmärgs flöde. För det andra är de mallar som består av mikrokanaler (25 till 50 ^ m) inom varje trabekulära septumet för att accelerera den inledande inträngning av benceller via kapillärverkan. Som demonstreras med användning av beräknings simulering 13, om mallen bara hade 300 um porer (primära porer) och inga mikro skulle kapillärverkan vara otillräcklig för full mättnad av mallen med benmärgen. Detta skulle framför allt hålla sant för stora brister som skulle kräva large storlek mallar. Mikrometerstora kanaler uppvisar mycket effektiv fluidabsorption, och därmed förväntas vi mikrokanalerna vara primärt ansvarig för kapillärverkan i vår studie. För det tredje har våra BMTS strategiskt placerade nanoporer. Data från litteraturen tyder på att celler är speciellt känsliga för nanomönster 18,19; därför förväntade vi nanoporer på väggarna i mikrokanalerna för att spela en roll för att öka cellvidhäftning. Nanostorlek porer (100-400 nm) på ytan av det trabekulära septa tillåtet immobiliserade celler att förankra. Totalt sett de kombinerade effekterna av dessa tre interna strukturer gav förbättrad cellmobilisering och vidhäftning i hela mallen. Det finns dock vissa begränsningar i protokollet och de kritiska steg att tillverka den perfekta BMT. Exempelvis finns det ofta en stor mängd av HA uppslamning framställd på grund av svårigheten att hålla en homogen viskositet medan beläggning. Det finns också en begränsning i att göramallar som är större än 5 cm 3 i volym på grund av arbetstiden medan beläggning. Beläggningstjockleken är kritisk som varierar beroende på maker tekniker.
Resultaten av vår studie tyder på att BMT förmåga att absorbera och kvarhålla celler kommer att erbjuda potentiella fördelar jämfört med konventionell alloplastisk (eller syntetisk) ställningar. En prospektiv studie övervägs för att kontrollera fördelarna med BMT på osteogenes och / eller angiogenes tillsammans med benrelaterade tillväxtfaktorer. Därför hävdar vi att vår unika skiss BMT byggnadsställning kan ta itu med de största hindren för otillräcklig benmärgsinfiltration i de syntetiska konstruktioner och ofullständig benåterbyggnad i stora defekter.
Det yttersta målet med denna studie är att förenkla den nuvarande paradigm för bioteknik i benrekonstruktion och funktionell restaurering i kritiskt stora bendefekter genom att eliminera behovet av tids- / arbetsintensiva benmärgstromaL-celler isolerings- och expansionsprocesser. Slutligen vill vi utnyttja anatomiskt överensstämmande 3D-konstruktioner med mikrokanaler och nanoporer, som inducerar snabb cell absorption, homogen fördelning och inhabitance för återuppbyggnad av ben.
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 |