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.
时不会有良好的分布,并稳定地锚定在插入模板的活性,蓬勃发展的细胞群,呈骨再生不会发生。与传统的模板,由于没有内部微通道导致缺乏细胞浸润,分布和栖居模板深处。因此,高度多孔且均匀地相互连接的小梁骨状模板与微通道(生物微模板; BMT)已经开发来解决这些障碍。小说BMT通过创新的概念(毛细作用)创建,并制造为具有海绵模板涂覆技术。在骨髓移植由几个结构部件:相互连接的初级孔(300-400微米),模仿毛孔骨小梁,每个小梁内的微通道(25-70微米),和纳米孔(100-400纳米)上的表面使细胞固定。此外,骨髓移植已被记录通过机械试验研究有SIM卡ILAR的机械强度性能,这些人骨小梁(〜3.8兆帕)12。
在骨髓移植显示出高的吸收,保留和细胞的居住整个桥形(Π)的模板(3厘米的高度和4厘米长)。该最初的细胞接种到的立即调动到另一端(10厘米的距离)由骨髓移植的细胞培养基毛细作用模板一端。 4小时后,将细胞均匀占领了整个BMT并表现出正常的细胞的行为。毛细作用占细胞悬浮在媒体和分布(活动迁移)在整个骨髓移植的渗透。在观察的骨髓移植的这些能力,我们预计BMTs将吸收的骨髓细胞,生长因子,营养物和从生理条件下的外围。
在骨髓移植可以通过快速渗透,均匀分布和inhabita解决目前的局限性细胞大,体积模板NCE修复大量的骨骼缺陷。
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.
需要成功的骨再生和临界尺寸的大的骨缺损的功能恢复的多分量模板包括细胞,生长因子,营养素等等。在这些因素的影响,解剖学符合要求的生物学特性是必不可少的。为了完成生物功能性,模板必须表现出生物相容性,骨传导性,机械完整性,足够的表面积,足够的表面纹理,且所述用于氧气和养分运输。在细胞水平上,下面的功能是为大块骨缺损功能恢复特别重要:促进渗透到模板(主动招聘),整个模板(保留)均匀分布,加速扩散,高生存力(居住)。最后,随后形成大量细胞外基质的和基因表达的触发是在基本生物过程的关键,如快速血管一次成骨。
许多不同类型的合成替代品已被建议更换自动/异体骨移植物。然而,目前的支架的组织没有表现出含微通道和纳米孔的内部微环境,因此不积极地促进细胞浸润,分布和栖居深入到合成替代品是大于10mm。它们不用于开拓细胞有效地,迅速地,且均匀地深深迁移到骨模板提供物理提示。取而代之的是,有限的被动招募细胞产生所述支架的外部和内部区域之间的分布不均匀的细胞群。这不仅加剧到达模板的内芯的单元的最初的挑战,而且阻碍营养素流和与合成的替代的另一端小区通信。这在小区D型不成比例细胞募集和居住结果该支架后eath和不完全的骨生长已经植入到体内14,15。
因此,我们推出了毛细作用的概念作为主要的物理线索,以解决这些障碍。我们已经彻底改造的微通道,在骨髓移植诱导毛细作用,这将占到主拖力的负责任的积极招募细胞深入到骨髓移植。
该PU海绵涂技术提出了一些独特的性质。首先,它允许容易地制备良好控制的多孔骨小梁结构的,它们本身依赖于预定义的模板结构(即,80孔每英寸模板300-400微米)。这对于优化孔径为成骨细胞的浸润15非常重要的。第二,该技术可使互连微通道,占初始化细胞动迁11的显著作用的结构。第三,在创建自定义形状和模板尺寸方面使用聚氨酯海绵的时候几乎没有任何限制。制造商可以用剪刀进行简单的形状,甚至计算激光切割的复杂几何形状。使用这些精确控制技术,我们创建了骨髓移植。 HA被选择,因为它的生物相容性和骨传导容量17作为原料。
在这项研究中,有一些需要强调的几个关键步骤。在HA浆料制备,如果温度太高,搅拌速度太低,则HA浆料将变得卡住在烧杯底部边缘和干涸。吹出过量浆料的HA当涂布过程之后,过高的空气压的可诱导的骨髓移植的表面上的裂纹。重要的是要保持空气的压力相对较低,只适当地空出多余的HA浆是很重要的。最后,在第二和第三步骤的烧结过程最关键的(热火1℃/分钟至280℃,加热0.5℃/分钟至400°C)。在这个温度范围内,PU海绵将彻底烧毁而房委会变得密集。如果该协议不紧紧跟随,在骨髓移植将被折叠或烧结后崩溃。
在这项研究中所描述的骨髓移植提供了几个优点。首先,相互连接的大孔(300-400微米)模仿这些人的骨小梁和可实现平滑的骨髓流。第二,模板是由每个小梁隔垫内的微通道(25-50微米)的加速骨细胞通过毛细作用的初始入口。作为使用计算机模拟13,如果模板只有300微米的孔(原生孔隙),并没有显示出微通道,毛细作用将不足以用于与骨髓模板的完全饱和。这将特别举办如此大型的缺陷,将要求采用信用证阿尔赫尺寸模板。微米尺寸的信道表现出高度有效的流体吸收,因此,我们预期的微通道是主要负责在我们的研究中的毛细作用。第三,我们的BMTs有战略地位的纳米孔。从文献数据表明,细胞对纳米图案18,19特别敏感;因此,我们预期的微通道的壁上的纳米孔隙中发挥增加细胞附着的作用。纳米尺寸的孔(100-400纳米)的小梁隔片的表面上允许的固定化细胞以固定。总体上,这三个内部结构的联合作用导致增强的细胞的动员和粘附在整个模板。但是,也有该协议的一些限制和制作完美BMT的关键步骤。例如,存在往往是由于准备保持而涂层的均匀粘度的难度大的量的HA的淤浆。也有在使限制由于工作时间,而涂层的模板大于5 立方厘米的体积。根据制造商的技术而变化,涂层厚度是至关重要的。
我们的研究结果表明,能够吸收并保持细胞将提供比传统的异质(或合成)支架的潜在优势BMT。前瞻性研究正在考虑到随着骨相关生长因子验证BMT对成骨和/或血管发生的好处。因此,我们主张我们独特功能的BMT支架可以解决骨质不足骨髓浸润的主要障碍到合成结构和不完整的骨组织再生大的缺陷。
这项研究的最终目的是通过消除需要时间/劳动密集型的骨髓基质简化生物工程在骨重建和功能恢复的临界尺寸的骨缺损的当前范例L细胞分离和扩增过程。最后,我们的目标是利用符合解剖学的3D构建体与微通道和纳米孔,从而诱发细胞快速吸收的,均匀的分布,和栖居重建骨。
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 |