文摘
髓核(NP)由高分子凝胶是一种有前途的替代技术的修复退化性椎间盘(试管)。硅胶是一种潜在候选人NP替代材料。实际上电纺纤维锚地硅胶片,称为ENAS盘,不仅可以提高凝胶的生物力学性能,但它也可以提高凝胶的修复能力,这是未知的。本研究成功地产生了小说过程锚任何大小和形状的NP与实际上电纺纤维网状凝胶。粘弹性性能的有机硅和ENAS光盘使用标准的实验测量技术并与当地的组织属性。体外机械测试是进行ENAS disc-implanted兔子尾巴比较完整和ENAS植入棘之间的机械稳定性。本研究发现,ENAS盘的粘弹性性能高于硅酮阀瓣和与人类NP的粘弹性性质。体外研究发现,ENAS盘恢复兔子尾巴脊柱的机械功能,本机NP和椎间盘摘除后取代了NP ENAS盘。因此,PCL ENF网格锚定技术一个NP植入可以有临床潜力。
1。介绍
当前的手术治疗,如椎间盘切除术,脊柱融合,和全椎间盘置换术是复杂的和昂贵的,未能恢复正常范围的运动,和永久未能缓解慢性腰痛(1- - - - - -3]。新兴技术作为一种替代后者包括NP替代高分子水凝胶。这仅仅旨在取代退化NP,剩下的圆盘结构完好无损4]。以来,组织工程移植物仍在发展中,NP替代细胞和分子生物学家仍在努力确定NP细胞的性质(5]。NP替换的高分子水凝胶是一种有前途的技术修复退化的试管(6]。高分子水凝胶,如硅树脂(7),聚氨酯(8),聚乙烯(9),聚乙烯醇(10),而聚合物钢筋与纤维或陶瓷(11),研究了适合NP的替代材料。虽然这些聚合物表现出类似的特征像自然试管的生物力学行为,刚度不足和细胞植入物之间的反应和生物环境使他们不恰当的材料试管修复(12]。尽管密集的研究在过去的十年中对聚合物试管聚变材料和关节软组织再生,并没有任何材料可以充分繁殖生理、机械、和生物行为的自然NP,同时表现出长期功能当引入人的脊椎6]。开发组织工程椎间盘的髓核移植将锚定到组织工程纤维环和终板矩阵,可能优势技术。
功能阀瓣替换材料和植入技术植入后必须恢复椎间盘的生物力学功能(13]。我们之前的研究表明,有机硅NP植入能够模仿本机核的力学行为仍可能失败恢复盘稳定后椎间盘切除术(14]。为了获得生物力学等效自然试管,它需要适当的锚定的NP内植入物及其替换盘(15]。这样的安克雷奇可能恢复椎间盘切除术后稳定。适当的安克雷奇的NP凝胶是由封闭的NP可能实际上电纺纤维网格,模仿周围的结构。适当的NP之间的接口设计及其周围结构也很重要的内源性细胞迁移之间的NP植入和本地组织先天试管后的修复椎间盘植入术(16]。当前最先进的总试管植入由NP植入包围实际上电纺纤维,模仿的分级组织只有本地AF (17]。这种试管植入的生物力学性能可以进一步提高如果实际上电纺纤维网格可以在各方确保NP植入。此外,这些纤维网格作为房颤和EP细胞生长支架ENAS体内植入后的脊柱。然而,未知是否ENAS包围PCL纳米纤维矩阵可以更好地恢复椎间盘的生物力学功能完整椎间盘切除术相比(没有NP条件)和试管用硅胶。上述事实制定研究设计为本研究的目标和方法。研究成功的成就将会导致功能阀瓣置换的设计。
2。材料和方法
2.1。材料
实际上电纺聚e-caprolactone) (PCL)研究中使用了硅胶的锚地。使用PCL纤维的原因是,实际上电纺PCL播种与房颤细胞或间充质干细胞已被证明增加的功能性质在体外文化,接近原生试管组织属性的单一和multilamellar长度尺度(18,19]。这是一个适合组织的脚手架生成。
有机硅合成的材料包括响应硅胶系统基础(植入级)和响应硅胶系统交联剂(植入级)。硅胶系统被选模型椎间盘的髓核。硅胶是由混合40 wt %的poly-dimethyl-hydrogen-siloxane交联剂剂polydimethylvinylsiloxane基础。基地和交联剂都从应用有机硅公司购买。硅胶是用作NP凝胶,因为前面的调查发现,硅胶具有足够的粘弹性特性(抗压、粘弹性属性)适合NP试管植入材料的应用程序。兔子脊柱模型已被用于在活的有机体内可行性研究的试管盘修复由其他研究人员。
2.2。样本设计
本研究准备了两种不同的光盘,可以用作替代退化NP。它们称为硅胶和PCL实际上电纺nanofiber-anchored硅胶(ENAS)盘。盘的尺寸计算从NP的大小通过解剖一只兔子尾巴尾盘四级横向和纵向的长轴尾部(图1)。进行了压缩和流变测试每组的光盘。同时,每组的体外研究样本的恢复能力ENAS disc-implanted尾巴对本机的尾巴。
(一)
(b)
2.3。样品制备
硅胶片制备流程如图2(一个)。硅胶制备使用73.2%到26.8%的重量比硅系统基础和有机硅交联剂,分别。硅胶基地和有机硅交联剂与规模和称重和测量VWR吸管,然后混合在100毫升烧杯20分钟解决方案是用玻璃手工搅拌搅拌棒。解决方案被放置在VWR真空干燥箱10分钟20 cmHg真空消除气泡的解决方案。一旦气泡被移除,硅胶的解决方案是删除从烤箱和铝模具使用VWR吸管。铝模具然后放在VWR真空干燥箱在160°C和20 cmHg 3小时固化。硅胶模具被允许冷却和删除从烤箱的硅胶片模型从模具取出,对纳米纤维的应用。本研究成功地捏造直径10毫米和5毫米厚度硅胶使用过程。
(一)
(b)
(c)
(d)
ENAS盘,生产的硅胶片是根据之前的准备方法。硅胶片固定在PCL ENF矩阵由以下三步过程。
2.3.1。步骤1:涂层NP盘的顶部和圆周表面上随机的纤维
硅胶NP盘与随机纤维涂层顶部和圆周面多层随机纤维在定制的塑料注射器。图2 (b)显示了NP圆盘上的涂层和圆周面随机PCL纤维。图中所示的体现包括密封室、注射泵,一个注射器管,连接不导电的支持,一个注射器针头管,高压电源、包含NP盘和定制的塑料注射器。注射器针头是应用高压带电的一系列5 KVA 15 KVA产生的电源。一个反对收费应用于导电线的中心定制的应用高压注射器的范围产生的电源。
2.3.2。步骤2:NP盘的底部涂层表面随机纤维
NP盘放置在塑料与导电线插入中心室。底部一侧的NP没有PCL光纤网将面临以便随机纤维涂层。多层随机纤维沉积。图2 (c)显示了NP圆盘通过随机的涂层纤维在没有纤维涂层的存在。合成产品从四面八方的一步是NP光盘是由多层的随机固定纤维。
2.3.3。步骤3:阀瓣的圆周表面上涂层纤维保持一致
盘完全包裹的过程总结,实际上电纺纳米纤维膜增强NP盘的骨整合。盘是用60度角铺设带构造实际上电纺纤维超细纤维模仿自然试管年度(AF)(图2 (d))。由离散的房颤与专门的胶原纤维床单对齐熊多向加载测量周长。纤维在本机运行在单个方向AF组织,20°~ 60°的横向平面,和相邻薄片的纤维方向相反,产生一个角铺设结构。
产生的角铺设纤维结构沿圆周的NP圆盘旋转塑料注射器柱塞包含光盘。对齐的PCL角铺设结构沉积在NP盘通过手动旋转NP盘6 *(+和−60度)。
2.4。机械特性
Evex压缩试验设置用于找到硅胶和ENAS盘压缩模量。两个样本压缩到80%的凝胶高度0.05毫米/秒的速度在无侧限抗压强度测试。水凝胶进行了振动测试使用莫尔文cvo - 100流变仪在5%应变率在1赫兹频率。粘性、弹性和复杂的模量为每个组的光盘被发现的实验。从实验阶段的角度也决定。
2.5。体外动物实验
尾(Cd)椎(Cd1-Cd7)收集刺从女新西兰白兔。兔子都是安乐死在大约3个月大的时候(体重,3.2 - -3.8公斤)的作者正在进行的赠款支持OK-INBRE(俄克拉荷马卓越想法网络生物医学研究)。实验机构批准的动物保健和使用委员会(IACUC),俄克拉荷马大学健康科学中心。每只兔子有钛植入8周的股骨,病理学和没有已知的历史。CT扫描图像(图3(一个)脊髓标本)被用来识别椎间盘的位置和样品插入尾脊柱的网站。后立即安乐死,脊髓标本收获和冷冻−20°C。在测试之前,每个冷冻标本解冻在4°C(24小时)和清除所有的软组织。标本被分成两个组,1组包含本地脊髓标本和2组包含脊柱标本后椎间盘切除术和插入在Cd4 ENAS盘。环形切口关闭使用Vetbond组织粘合剂(3 m™动物保健)。
(一)
(b)
(c)
Cd2椎是嵌入金属杯BioMedtrix 3兽医骨水泥。30分钟后水泥的固化,顶部的嵌入式脊柱标本固定爪UTM在测试资源。另一个同样大小的金属杯固定在夹具底部,和骨水泥注入杯。金属杯顶部嵌入的脊柱是降低直到Cd5完全由底部杯水泥。由于骨水泥的低粘度,微不足道的预加载时应用于脊柱脊椎底部的锚定杯(图3 (c))。30分钟后固化,每个样本被5个连续的压缩应变增量的3%从3%到15%的压力。每次增加后,负载和位移数据记录。
3所示。结果与讨论
本研究成功地产生一个ENAS盘(图4(一))。数据4 (b)和4 (c)显示的尺寸制作光盘。盘的大小匹配的大小NP脊柱的兔子尾巴(图1)。任何大小的试管可以使用独特的生产实际上电纺技术。
(一)
(b)
(c)
图5(一个)显示了扫描电镜的图像存入PCL ENF矩阵顶部/底部ENAS盘。图5 (b)显示了扫描电镜的图像存入PCL ENF矩阵ENAS盘圆周的一面。纤维的直径在矩阵范围从0.9中被发现μ米至1.24μm。
(一)
(b)
本研究发现,抗压模量、复杂的剪切模量,相移角硅凝胶和EIVD人类NP的范围。这些结果证实实际上电纺纤维锚地凝胶的适用性,因为它提高了凝胶的力学性能。压缩试验结果表明,ENAS圆盘抗压模量(87.47±7.56 kPa, )相比明显高于硅胶(38.75±2.15 kPa, )和价值是人类NP的抗压模量的范围内(64.9±44.1 kPa [20.])。ENAS盘测量的最大压缩压力荷载位移曲线(图6),这为0.46 MPa。由于啮齿类动物尾巴的静息压应力范围是0.2±0.05 MPa (21),因此,我们设计ENAS盘对拟议的研究来说是足够的。流变测试结果(图7)表明,ENAS盘弹性模量(16 ~ 40 kPa)明显高于相比,硅胶(0.10 ~ 0.16 kPa)和价值是人类NP的抗压模量的范围内(7 ~ 20 kPa [22])。这些结果证明了该方法的适用性ENAS盘NP植入硅胶。
(一)
(b)
很明显从脊柱的载荷与位移曲线比较没有和ENAS盘(图8),ENAS能够恢复本地的压缩负荷行为鼠尾的脊柱。没有泄漏过程中观察到的硅胶脊柱ENAS样品直到15%的压缩应变水平。进一步的体内研究需要评估骨整合的效果恢复能力的正常生物力学ENAS盘植入后的动物模型。
本研究开发和评估一个制造过程的封装NP房颤和终板区通过PCL ENF网。小说研究提供信息的功能PCL ENF网独家圈地的硅胶在四面八方。研究提供了一个更好的理解如何PCL ENF锚地选择硅胶NP力学行为的影响。生产的转基因试管结合本机结构强劲将推动临床应用组织工程试管的想法。这个研究有机会增量技术的进步为人类和动物小说试管的设计模型。这项研究有多个选择策略,可以采用的方法没有克服的技术障碍,机械稳定性差、骨整合。
发展组织工程试管,NP植入物固定在房颤和终板,是创新的和可能优于其它现有技术退化试管疾病的治疗。工程内的全封闭NP构造与选择层的非生物降解的(如聚苯乙烯和尼龙6)和综合分析(biomineralized PCL)材料可以提供改善NP保留和集成组织。植入的影响时间和试管结构(没有和biomineralized PCL)脊柱的生物力学功能的恢复椎间盘摘除后将确定为本研究的翻译。这项研究提供了一个独特的材料和结构信息,将用于小说试管植入物的设计对人类的未来。
4所示。结论
本研究成功地产生一种全新的方式来锚定一个NP凝胶,在这项研究中硅胶,使用实际上电纺纤维模仿NP在兔子尾巴脊柱的大小。任何规模的工程试管可以使用独特的生产实际上电纺纳米纤维的技术(专利申请中23])。角铺设纤维布模仿房颤结构也产生了使用方法。结果表明,ENAS盘适用于更换阀瓣和应进一步研究试管应用的可行性。运动节段的动态力学行为ENAS盘体内植入后将提供进一步的证据ENAS盘的恢复能力。
的利益冲突
作者没有利益冲突。
确认
这份出版物被格兰特没有成为可能。5 p20gm103447来自美国国立卫生研究院和校园教师格兰特和CURE-STEM奖项从数学和科学学院和中央俄克拉荷马大学的办公室研究和资助。