支架的制备和表征聚ε己内酯)/ Biosilicate®Biocomposites由生成制造过程

文摘

支架的聚ε己内酯(PCL)及其biocomposites 0, 1, 3, 5 wt。% Biosilicate®被生成制造过程加上捏造一个垂直骨钉挤压头骨组织的修复申请。他们的形态特征表示0°、90°架构设计范围的孔隙大小和组织工程应用的互联互通是可行的。机械压缩测试结果显示57%增加支架的刚度结构的1到5 wt。% Biosilicate biocomposite®。支架没有发现毒性测试在体外细胞生存能力与MC3T3-E1 preosteoblast细胞系。结果强调的潜在应用支架用poly(制作的ε己内酯)/ Biosilicate®组织工程。

1。介绍

组织工程是一个多学科的新兴研究领域,应用生物科学和工程开发的概念和操作的细胞,组织或器官恢复,维护,或支持的功能受损组织(1]。支架是生物替代品作为瞬态细胞外基质(ECM)组成的多孔三维结构,支持组织的生长和修复(2,3]。深入研究的生物材料或biocomposite的选择构成了支架获得的基本结构,执行不同的功能再生的组织(4]。属性,如生物相容性、生物降解和bioactivation,特别是相关的结构形态和力学性能至关重要的选择生物材料在组织工程应用。

聚ε己内酯(PCL)是一种脂肪族聚酯的良好的生物相容性,生物降解能力,机械强度一般在几项研究解决组织工程(5,6]。第一个合成PCL的研究是在20世纪早期研究人员感兴趣的生产和理解合成聚合物的使用可能被人体降解[7]。PCL-related研究强化后组织工程概念的出现和随之而来的需求使用生物聚合物支架的生产(8]。PCL低熔点温度约为60°C,相对较高的降解温度(300°C)和疏水特性,这使它成为一个支架的高度适合生产的生物高聚物添加剂制造(5,8]。然而,PCL展品生物活性较低,限制了其在临床应用中使用作为组织再生的生物材料。为了克服这个限制,研究证明了公司的综合分析和/或论述生物活性陶瓷阶段,如羟磷灰石、生物活性玻璃,或微晶玻璃,PCL矩阵增加其生物活性,提高聚合物的机械性能(9- - - - - -13]。

Biosilicate®,颗粒完全结晶生物活性微晶玻璃,很快被证明是一个多功能,多用途的生物材料应用于骨组织工程和一个有效的替代治疗牙本质过敏症的(14- - - - - -16]。它是通过特殊的成核和生长的热治疗第四纪Na₂O-CaO-SiO₂- p₂O₅系统(17]。结果完全结晶生物活性微晶玻璃展品在眼镜和高生物活性,改善机械性能,磨后,粒子更锐利且粗糙,这对它们的使用是一个重要的特性在不同的生产流程。Peitl et al。18)展示了一种控制结晶眼镜相同的系统增加了平均抗弯强度75 MPa的父玻璃210 MPa。在体外,体内,和临床研究14- - - - - -16,19- - - - - -25)所示的效率Biosilicate®为再生骨组织由于其特性,如高生物活性,osteoconductivity, osteoinductivity, osteoconductivity, noncytotoxicity, nongenotoxicity和抗菌特性。这样优秀的生物和特殊的机械性能使Biosilicate®承诺bioceramic钢筋支架的生产。

三维技术制作的支架可以分为直接或间接。间接技术使用生成孔的模具生产的支架,而毛孔直接技术,本质上与三维模型构造的加法制造过程(26]。加法制造是制造模式适合支架。其优势主要材料沉积精度和重现性,使均匀可控多孔结构的生成形态在规范应用于组织工程(27,28]。

一个实验性Fab@CTI 3 d打印机(端3 d打印机)用于支架的制造。启发Fab@Home项目,它提供了开放的结构(机械设计、接口程序和控制系统),过程控制,使用少量的材料进行处理(29日]。Fab@CTI 3 d打印机由四个子系统组成,即驱动系统(基地),材料沉积机制(基于单螺杆),接口程序和监测系统。政情驱动系统有一个笛卡尔平台由三个步进电机控制的耦合运动元素(铅螺丝)。在X和Y方向位移发生在一个固定的计划,而平台在Z方向移动。沉积机制组成的驱动系统和子系统由机械耦合,形成骨钉/筒,筒仓,和喷嘴执行运输、压缩、流控制和沉积的原材料的生成最终的三维结构或它的一部分29日,30.]。材料沉积的机制,或者简单,沉积的头,“接受一个250°C处理温度和介质的最大扭矩在26海里。这样的设计和操作参数估计过程聚合物和聚合物复合材料。

支架被BioScaffold PG几何生成软件,使不同的配置与沉积方向。在目前的研究中,0°、90°架构建立的最佳配置控制支架的孔隙大小。其参数设置为层高度,挤压丝之间的间隔,空间,层数和直径所需的挤压丝。他们被压实和导出到一个文件扩展兼容3 d打印机的操作/控制系统,例如STL,刀位点。txt或点。txt (31日]。脚手架的软件监控整个生产过程,并提供所有处理信息,如预计生产时间,数据在一个基于螺丝头,和旋转速度的X, Y坐标(29日,30.]。

多明戈et al。27)调查的影响纳米——和microhydroxyapatite粒子在体外生物和PCL /羟基磷灰石支架的力学性能。三维支架生产使用extrusion-based加法制造系统。从压缩测试结果证明,PCL / microhydroxyapatite支架提供更高价值的抗压模量比PCL / nanohydroxyapatite支架。作者认为这种行为PCL的结晶过程的变化和/或穷人nanohydroxyapatite颗粒之间的界面粘附和PCL。体外生物测试结果显示的高潜力PCL / nanohydroxyapatite支架促进细胞粘附、增殖和成骨分化相比PCL / microhydroxyapatite支架。这样的行为是由于microhydroxyapatite粒子表面聚合形成的支架,从而防止建立信息交互所必需的生物过程。因此,纳米/微粒子嵌入到聚合物基质必须得到适当的优化,以避免疲软的结构和增强细胞活性复合支架。

这手稿地址biocomposite-based的发展对特征适合组织工程支架。进行了初步测试和生物相容性材料的评价足够的孔隙度,同时确保细胞生长能力和足够的机械强度与宿主组织兼容。支架的聚ε己内酯(PCL),聚合物基体,与不同数量的Biosilicate®微粒、生物活性和陶瓷强化,编造的。他们的形态分析,机械和生物学性质,影响Biosilicate®聚合物基质的属性和过程变化的添加剂技术挤压进行了评估。

2。材料和方法

2.1。材料

粉PCL卡帕®6500,购自Perstorp®,粒度小于500μ米、50000克/摩尔平均分子量(Mw),大约60到65°C熔化温度,−60°C的玻璃化转变温度。Biosilicate®23.75 na₂曹o - 23.75 - 48.5 - sio₂4 p₂O₅wt. %组成,其中一个结晶相/钙硅酸盐(Na₂属于接近₂O₆),平均粒度(d₅₀180年和212年之间)μm,熔化温度高于1250°C (16,20.,24),是由玻璃材料实验室联邦大学的圣卡洛斯。

2.2。生产支架

支架的PCL 0, 1, 3, 5 wt。%的Biosilicate®biocomposites被挤压添加剂制造过程Fab@CTI 3 d打印机(见图1(一),3表示挤压骨钉头由一个螺丝,桶,和喷嘴;2表示加热印刷平台;1是指控制系统(转速和温度);4表示控制计算机;进料斗和5表示)。PCL和Biosilicate®粉末被打压一个分析天平和机械混合前的3 d打印机的进料斗。

一些操作参数的初步测试中定义建立连续和稳定的流量通过400的材料μ内径的喷口。7.5转速转速和一个12毫米⁻¹头沉积速度调整生产的支架组成。处理温度设置为67到96°C的范围,根据初步测试。

广场的支架几何和0°、90°沉积轨迹打印,如图1(b)。几何参数最初建立了支架的制造和对应于他们的物理和结构性质,如层高度(PH),挤压丝间距和周长,层数和直径所需的挤压丝。所有特征确定支架的结构应考虑相关的规范和标准所需的应用程序。0.30毫米层高度和0.9 mm间距建立了挤压链和导致了孔隙大小约0.45毫米。

2.3。形态特征

分析了支架的形态下范®检查F-50扫描电子显微镜(SEM)操作10 kV。样本长度5毫米,宽5毫米和5毫米厚度被手术刀从印刷支架,恢复由Q150R ES溅射一层薄薄的铂®Quorum科技®设备。随后,SEM图像评估ImageJ®1.60版本软件。平均挤压线直径和平均孔隙大小是决定到100年随机测量。

2.4。机械特性

3 d印刷支架的力学性能的5毫米长度5毫米宽度和10毫米厚度是评价机械压缩测试,根据ASTM d2990 - 0990,英斯特朗®5969型万能试验机1.5 kN测压元件和操作速度1.3毫米/分钟测试。明显的抗压模量确定基于斜率的线性区域的应力-应变曲线。

2.5。评估细胞的生存能力

支架对细胞活力的影响进行了评估在体外化验与pre-osteoblasts MC3T3-E1细胞系(来源于鼠颅盖)保持在MEM鹰介质(Gibco®,生活技术)补充10%胎牛血清,1% penicillin-streptomycin(100毫克/毫升,Vitrocell®),核苷和deoxynucleosides (9.9 mg / L腺苷、10.8 mg / L脱氧腺苷;10 mg / L胞嘧啶核苷、10.4 mg / L脱氧胞苷,9.9 mg / L鸟嘌呤核苷,10.6 mg / L脱氧鸟苷,9.9 mg / L胸苷,10 mg / L尿苷)在大气中补充公司为5%₂在37°C。细胞培养基是改变每两天。两层的支架被刀片割。标本是用乙醇洗净(纯度70%),放置在一个细胞培养罩1 h小时干燥和消毒紫外线照射下了20分钟。然后他们被放置在一个24-well组织培养聚苯乙烯(安全和)板和由一个安全和插入避免浮动。细胞生存能力评估了样本和成骨细胞的直接接触。MC3T3-E1细胞使胰蛋白酶化、计算和播种1×10⁴细胞每口井。对保持大部分的细胞与支架接触,首先所需数量的细胞每100年μL细胞培养基中止和支架的毛孔都充斥着这样的100年μL细胞悬液。空的安全和井(没有样本)与100年播种μL细胞悬液用于控制。细胞被允许坚持支架,或安全和45分钟37°C公司为5%₂。每个测试提供1毫升细胞培养基。四个井/标本用于每个样本和控制。刃天青染色(AlamarBlue®、生命科技™)被用于量化,因为它通过荧光比色法或细胞生存能力的措施。是氧化通过活细胞线粒体,连续的细胞生长产生氧化环境,将刃天青转化为荧光和红色化合物。因此,没有细胞生长、抑制细胞生长保持刃天青荧光和蓝色(32]。细胞生存能力测量后1、3、7、14和21天的细胞播种,这被认为是长期的在体外测试(32,33]。为每个测量细胞培养基是向往和600年μL的刃天青稀释培养基在10 v %添加/。两个空井(不带电池)被用作控制刃天青。盘子被保持在37°C公司为5%₂后,4 h, 100μL的上层清液,包括刃天青的控制,被转移到一个96安全和板。100年两个井μL (full-reduced刃天青,通过稀释为10% (v / v)在文化媒体和高压灭菌法解决方案在120°C的15分钟,被用作参考。荧光(544 nm激发,590海里发射波长)是由一个光谱测量马克斯双子座XS分子设备仪器。细胞生存能力估计根据每个时期获得的相对减少,计算了 统计比较由双向方差分析在GraphPad棱镜®软件和Bonferroni多个对比测试。P值< 0.05被认为是统计学意义(n = 4)。

3所示。结果与讨论

3.1。形态特征

最初,Fab@CTI打印质量的评估。图2显示了xy平面上的SEM显微图视图的装配式脚手架采用不同的组成部分。0°、90°架构提出了支架了,证实了BioScaffold PG几何生成软件之间的兼容性和3 d打印机相关程序,Fab@Home。这样的体系结构是保证毛孔之间的互联互通,这是一个确定几何因子的支架在组织工程中的应用(11,31日]。重现性的因素,包括生产支架与类似的合规,是观察到的主要人物2(一),2(b)2(c)和支架相关Biosilicate®。结构均匀,制服,表现出类似的孔隙和挤压链几何。支架用纯PCL制作显示低相比,支架与bioceramic粒子(图2(d))。

之间的粘结层的支架进行了SEM显微图如图3。分析研究了层高度(PH)的质量参数,考虑成键,均匀分布和大小(丝)。众所周知,PH值越高,穷人的粘合层,因此,定义层的高度不足会导致分离层的结构。另一方面,压扁的存在的地区联盟的一层到另一个极端,造成低PH值与挤压链的直径,表明良好的键(31日]。数据3(b) -3(d)显示的扫描电镜图像的横截面PCL的装配式脚手架与1、3和5 wt。分别为% Biosilicate®。之间的粘结层的体积百分比增加bioceramic材料增加,由于在挤压的直径逐渐增加链相对于固定层高度(PH = 0.30毫米)的大规模Biosilicate®的成分增加。图3(一个)显示的扫描电子显微镜照相术的侧面从纯PCL装配式脚手架结构。PCL支架显示最穷的粘结层之间相比其他成分的支架。这样的行为是可察觉的即使在处理样品。孔盖观察到较低的层是由挤压的衰变链的沉积过程。

数据4(一),4(b)4(c)显示高放大倍数的支架表面的SEM显微图1,3,5 wt。分别为% Biosilicate®。正如预期的那样,Biosilicate®粒子表面增加支架,作为他们的浓度biocomposite增加。所有样本显示一个好的bioceramic粒子的分布;然而,低色散的粒子由于一些附聚物的存在。团聚体的存在可能是由于有限混合挤出机螺杆和喷嘴堵塞的力量在印刷。挤出机螺杆的混合动力将是进一步研究的主题。Davila et al。11)和多明戈et al。27)也报道总量的形成,导致一个粗略的和异构分布bioceramic粒子支架内。

bioceramic粒子的数量添加到聚合物基质干扰的流动物质生产过程中,改变产生的形态特征。表1显示的结果平均链支架的直径和平均孔隙大小。挤压线的直径增加,随着数量的Biosilicate®biocomposite增加。这样的行为是由于挤压膨胀现象,在挤压过程中发生的材料通过3 d打印机的死,和因素,速度和旋转的螺杆。挤压线的直径的增加聚合物的弹性回复的结果,所观察到的其他作者(11]。Kyriakidou等。(34]报道沉积速度的影响在三维挤压丝的直径PCL /羟磷灰石柱支架。获得高速显示多孔支架结构受损由于strand-strand融合在同一层。以较低的速度,相邻层之间的结合是有限的,损害了脚手架的结构完整性。显然,链直径中扮演一个重要的角色在支架的孔隙大小的确定。然而,进一步影响了其他参数,如层高度和挤压线之间的间距。

定义良好的和相互联系的孔隙的存在对细胞粘附和迁移效率至关重要。而且众所周知,孔隙结构是一个至关重要的因素,可以显著影响支架的机械性能。因此,另一个方面来分析是一种由贪婪导致的孔隙大小支架的制造。比较分析也是本研究的对象。结果(表1)的平均孔隙大小支架减少,随着数量的Biosilicate®biocomposite增加。另外所有制造的孔隙大小支架是组织工程范围内的适用性,即。,50到750μ米,按照文献[11,35]。正如所料,大链的支架直径较小的孔隙大小,因为他们打印维护结构和印刷参数。

3.2。机械特性

支架的机械性能必须按照要求主机所需的组织和他们的结构必须使组织再生。数据5(一个)和5 (b)显示的平均应力-应变曲线装配式脚手架和压缩模量的结果和标准偏差的测量,分别。纯PCL支架展出压缩模量为28.2±3.5 MPa,较小的变化。抗压模量较低的价值相比,其他作者观察到的值(5,11,36),可以解释为缺乏之间的粘结层和较低的直径和孔隙大小一致的挤压线纯PCL支架,导致较低的结构力学特性。支架的应力-应变曲线的PCL Biosilicate®展出一个弹性行为在线性区域在低压力值,其次是长高原随着变形的增加(见图5(一个)),据其他作者(11,34]。

结果在图5 (b)显示增加聚合物基质的抗压模量增加的函数Biosilicate®。具体支架刚度增加大约22%的体积百分比Biosilicate®wt增加从1到3。%,而具体的刚度增加大约57%时Biosilicate®内容从1增加到5 wt. %。抗压模量PCL / Biosilicate®支架之间的远程58.2±12.2 MPa和85.4±13.1 MPa。因此,所有支架成分研究,包括PCL没有Biosilicate®,遇到了关于刚度为骨再生应用程序所需的规范。根据Goonoo et al。37和杨et al。38),20到141 MPa是理想的刚度在骨骼组织支架的应用范围。更大的变化在所有PCL /抗压模Biosilicate®支架可能是由于局部集聚Biosilicate®,透露的SEM分析,图4。

然而,应该强调,支架的力学性能明显受到孔隙结构的影响,不仅组成的材料。

对于装配式PCL / Biosilicate®支架,观察抗压模量越高的脚手架与较小的孔隙大小,即。PCL + 5 wt。% Biosilicate®脚手架。

3.3。评估细胞的生存能力

图6显示了PCL的细胞生存能力+ Biosilicate®复合材料在直接接触pre-osteoblasts MC3T3-E1细胞系,用刃天青。MC3T3-E1细胞扩散到第14天为所有样本,这表明支架显示增加在体外和支持细胞增殖。一个稳定的相对荧光观察样本,直到第七天,因此,未发现显著差异和样本之间的控制。显著提高细胞生存能力率为观察到的所有支架相比,控制在14天细胞(不带支架)。最高的荧光值获得纯PCL支架,与PCL + 1 wt相比有显著差异。wt % Biosilicate®和PCL + 3。% Biosilicate®。无法检测到这种变化在早期的化验,因为细胞数量相对较低(1×10⁴)是用于保持细胞培养稳定在年底前化验(21天)。

因为这些差异不是常数的样本,即。,the cell viability rates do not change significantly between the neat PCL scaffolds and PCL + 5 wt.% Biosilicate®, the lower proliferation rate cannot be attributed to Biosilicate®. Although most Biosilicate® is embedded within the PCL matrix, the bioceramic particles can be visualized on the surface of the PCL scaffolds through SEM images (Figure4)。Biosilicate®是一个释放的生物活性玻璃离子(Ca⁺P⁺,如果⁺),因此,增加博士这样的变化可以影响细胞增殖的早期阶段在体外研究,即使细胞介质变化每两天,Montazerian报道等。(39)和Xynos等。(40],研究成骨细胞增殖活性的眼镜。然而,根据Xynos等。(41)和Valerio等。(42),⁺P⁺,如果⁺对成骨细胞增殖起到有益的作用。下在活的有机体内pH值条件下,转变可能缺席,因为身体的pH值是由缓冲控制系统(43]。粒子数的增加也增加了支架表面的粗糙度,有利于细胞吸附和扩散(44,45]。因此,高粗糙度的支架5 wt。% Biosilicate®可能弥补细胞增殖。

经过21天的化验,所有支架的细胞生存能力降低。下在体外条件下,细胞增殖,直到所有可用的表面覆盖,没有可用空间,最后,细胞凋亡级联体现。细胞凋亡,细胞死亡的过程,基本在生理条件下和维护的关键是多细胞生物的正常发育和功能(46,47]。因此,如果在体外细胞增殖很快达到一个高价值,也能减少快速扩散,因为细胞凋亡信号的空间饱和度的函数。尽管PCL支架提供了成骨细胞增殖率最高14天后细胞播种,他们也显示出最高的细胞减少化验的21天。在这一时期,细胞增殖和样品Biosilicate®更连续,因为Ca⁺离子释放有利于成骨细胞增殖;它增加必要的成骨细胞生长因子的基因表达41)和细胞凋亡信号的一种补偿。

安全和控制(细胞)显示一个稳定的生存曲线随着时间的推移,因为存在较少的变量(聚合物、pH值、表面)相比,成骨细胞培养支架内。然而,控制提供了较低的扩散率相比,支架,直到第14天。这种行为证实的假说3 d支架改善细胞增殖由于更高的表面积与安全和良好的平面相比。在体外条件下,细胞增殖是可行的,直到饱和的表面48- - - - - -50]。

总的来说,造骨细胞扩散在所有样本没有显著差异,除了在第14天为支架和控制,由于大支架表面相比,安全和板表面。纯PCL的细胞生存能力高与PCL + 1相比,3和5 wt。% Biosilicate®,可能是由于离子释放。粗糙度较高的PCL + 5 wt的支架。% Biosilicate®样本另外增加了细胞的粘附和增殖能力。

进一步在体外研究,如转录酶聚合酶链反应(rt - pcr),是必要的理解方式的离子释放复合支架可以影响细胞增殖。我们建议在活的有机体内研究作为支架的临床翻译步骤,对理解的生理动态scaffold-tissue接口在长远来看,生物降解行为。

4所示。结论

支架由扫描电镜形态特征的3 d打印获得所需的0°、90°的架构,这表明优秀的过程中涉及的软件之间的兼容性和3 d打印机。层高度(PH)值,必须低于挤压链的直径,必须考虑到一个更好的支架层之间的粘结。因此,PCL + 5 wt组成的支架。% Biosilicate®提拔一个优越的粘结层与支架之间的其他成分。中使用的工艺条件制备的biocomposites mini-screw挤出机感应的分布Biosilicate®粒子在PCL矩阵;然而,一些城市群bioceramic材料表面的支架被发现。挤压膨胀现象,粒子的数量直接相关矩阵,确定。因此,挤压线的直径的增加与喷嘴内径的支架结构设计中必须考虑。制作支架的孔隙大小的范围内应用组织工程和毛孔显示良好的互连。机械压缩测试的结果显示显著改善支架的力学性能的Biosilicate®聚合物基质。 Scaffolds with 3 and 5 wt.% bioceramic material showed 22 and 57% increases in stiffness, respectively, in relation to scaffolds with 1 wt.% Biosilicate®. All manufactured scaffolds met the specific stiffness specifications for applications in bone tissue engineering. Cell viability results showed cell adhesion and proliferation throughout the tests of fabricated scaffolds and the non-toxicity of scaffolds to MC3T3-E1 pre-osteoblast cells was evidenced. The results of morphological, mechanical and biological characterizations proved such scaffolds can be applied to tissue engineering for bone reconstruction.

数据可用性

所有资料都被手动输入数据集和可从我们第一次和相应的作者对检验要求。

的利益冲突

作者声明没有任何的利益冲突。

确认

作者承认Laboratorio de材料Vitreos (LaMaV) Biosilicate®供应,西班牙de Ciencia e Tecnologia em Biofabricacao (INCT)和Centro de Tecnologia da independent阿切尔雷纳托(CTI)的3 d打印机的使用,Laboratorio de Bioquimica e Biologia分子(LBBM)生物化验的基础设施的使用,和a·c·p·Giampedro修改英文。玛西娅克里斯蒂娜Branciforti亏欠慰问Nacional de Desenvolvimento Cientıfico e学府(CNPq) Proc。309107/2013-0和Pro-Reitoria de尽管da USP (PRP / USP)和Centro de Tecnologia em材料Hibridos (CTHM)为他们的财政支持。

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