생리 활성, PCL 기반 "셀프 피팅"형상 기억 폴리머 비계의 제작
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
현재 부교감 악안면 (CMF) 골 결손 치료의 황금 표준으로 간주, 수확자가 이식의 이식은 복잡한 이식 절차, 공여부의 이환율과 제한된 가용성 (1)에 의해 방해된다. 특별한 어려움은 성형 및 골 유착을 얻고 그래프트 재 흡수를 방지하기 위해, 결함에 단단히 강성 자가골 고정된다. 조직 공학은 autografting하는 대안 전략 및 합성 골 대체물 (예를 들면 뼈 시멘트) 2,3로 조사되었다. 조직 공학 방법의 성공에 중요한 속성의 특정 세트 발판이다. 우선 골융합을 달성하기 위해, 지지체는 인접한 뼈 조직 (4)에 밀착 형성한다. 발판은 세포 이동, 영양 확산과 neotissue 증착 4,5 허용, osteoconductive해야한다. 이 동작은 일반적으로 생분해 SCA 달성된다ffolds는 고도로 상호 연결된 기공 형태를 나타내는. 뼈 조직 (5) 주변과의 통합 및 결합을 촉진하기 위해 마지막으로, 지지체는 생체 활성해야합니다.
여기, 우리는 이러한 특성을 가진 조직 공학 발판을 준비하는 프로토콜을 제시한다. 중요한 것은,이 지지체는 형상 기억 행동 6 불규칙한 CMF 결함에 "자기 끼움"할 수있는 능력을 나타낸다. Thermoresponsive 형상 기억 폴리머 장치 (SMPS)는 7,8 열에 노출시에 형상 변화를 겪는 것으로 알려져있다. SMP의 영구 형상 및 임시 형태를 유지하고, 영구 형상 복구 "스위칭 세그먼트"결정 "netpoints"(즉, 화학적 또는 물리적 가교)로 구성된다. 스위칭 세그먼트 중 유리 전이 (T의 g)에 대응하는 열 전이 온도 (T 트란스)를 나타낼 또는 중합체의 천이 (T의 m)을 용융. 으로결과는 SMP의 순차적 T <T 트랜스에서 임시 형태로 고정 T> T 트랜스에서 임시 모양으로 변형하고, T> T 트랜스의 영구적 인 형태로 회수 할 수있다. (6)을 다음과 같이 따라서, SMP의 발판은 CMF 결함에서 "셀프 피팅"달성 할 수있다. 노출 후 식염수 (T> T 트랜스), SMP의 발판이 모양 복구 결함 경계에 발판의 확장을 촉진하여, 손으로 누르면 불규칙한 결함에로 일반적으로 제조 된 원통형의 발판을 허용, 가단 될 것 따뜻하게. (T <T 트랜스)를 냉각시, 비계 모양의 정착이 결함 내 새 임시 형태를 유지하면서, 상대적으로 더 단단한 상태로 반환합니다. 이 프로토콜에서, SMP의 발판은 생분해 성 고분자는 조직 재생 및 기타 생물 의학 응용 프로그램에 9-11에 대한 광범위하게 연구, 폴리 카프로 락톤 (PCL)에서 제조된다. 형상 기억하십시오, 일PCL의 전자의 m T는 T 트랜스 역할 및 PCL (12)의 분자량에 따라, 43과 60 사이에서 변화 ºC. 이 프로토콜에서, 지지체의 T 트랜스 (즉 T의 m)은 56.6 ± 0.3 ºC 6입니다.
osteoconductivity을 달성하기 위해, 프로토콜은 용매 캐스팅 미립자 침출 (SCPL) 6,13,14 방법에 기초하여 고도로 상호 연결된 기공 PCL 기반 SMP 골격을 위해 개발되었다. 디 아크릴 레이트, 폴리 카프로 락톤 (PCL-DA) (M = N ~ 10,000g / mol)을 신속하게, 광 화학적 가교 결합을 허용하기 위해 이용하고, 염 템플리트 위에 용매 캐스팅을 허용하는 디클로로 메탄 (DCM)에 용해시켰다. 광화학 요법 및 용매 증발에 이어, 염 템플릿을 물에 침출하여 제거 하였다. 염 평균 크기는 골격의 기공 크기를 조절한다. 중요한 것은, 염 템플릿 전에 기공 interconnectivi을 달성 캐스팅 용매 물과 융합시켰다타이.
생체 활성은 기공 벽 (6)에 polydopamine 코팅의 현장 형성에 의한 SMP 지지체에 부여했다. 생체 활성은 종종 유리 또는 유리 – 세라믹 충전제 (15)의 포함으로 골격에 도입된다. 그러나, 이들 원치 않는 취성 기계적 특성을 야기 할 수있다. 도파민은 기판의 다양한 16-19에 부착, polydopamine 얇은 층을 형성하는 것으로 나타났다. 이 프로토콜에서, SMP 지지체 모든 기공 벽 표면에 6 polydopamine nanothick의 피막을 형성하는 도파민 약간 염기성 용액 (PH = 8.5)를 실시 하였다. 개선 된 세포 접착을위한 표면의 친수성을 향상시키고 확산 외에 polydopamine는 모의 체액 (SBF) 18,20,21 노출시 하이드 록시 아파타이트의 형성 (HAP)의 관점에서 생물 것으로 밝혀졌다. 마지막 단계에서, 코팅 된 지지체를 85 ºC (T> T 트랜스) WH 열처리를 노출무형 문화 유산은 치밀화를 폴딩 할 이어집니다. 열처리는 이전 PCL 결정질 도메인 가까이 근접 14 재구성 아마도 인해, 골격 형상 기억 행동 필수적인 것으로 관찰되었다.
우리는 또한, 불규칙한 모델 결함 내에서 자체 맞는 행동을 특징 짓는 용어로 변형 제어 순환 열 기계 압축 테스트 메모리 동작을 형성 (즉, 형상 회복과 정착을 형성)하는 방법을 설명하는 형태 기공, 체외 생체 활성에. 발판의 특성을 조정하는 전략도 제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은, 자기 피팅 동작 polydopamine 코팅, PCL 계 지지체의 제조뿐만 아니라, 생체 활성 및 osteoinductivity 설명 불규칙한 CMF 뼈 결함의 치료에서 관심을 만든다. 프로토콜의 측면은 다양한 비계 기능을 변경하는 변경 될 수있다.
이 프로토콜은 UV 경화를 허용하는 PCL 디올의 아크릴화로 시작합니다. 보고 된 예에서, PCL 디올 M n을 ~ 10,000g / 몰이다. 그러나, 적절 PCL-DA, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 텍사스 A & M 대학 공학을 감사하고이 연구의 금융 지원을 위해 역 (티) 실험. 린지 네일은 감사 소수 참가 텍사스 A & M 대학 루이스 스톡스 얼라이언스 (LSAMP)와 국립 과학 재단 (NSF) 대학원 연구 활동 프로그램 (GRFP)의 지원을 인정합니다. 웨이 장은 감사 텍사스 A & M 대학 논문 친목.
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 |
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