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Elastomeric PGS Scaffolds in Arterial Tissue Engineering

Cardiovascular disease is one of the leading cause of mortality in the US and especially, coronary artery disease increases with an aging population and ...

Stereolithography using photo-cross-linkable polymeric biomaterials is an effective technique for fabricating highly complex three-dimensional (3D) scaffolds with controlled microstructures for tissue engineering applications. In this study, we have optimized the UV curable polymer solution composition and laser parameters for the stereolithography machine. Poly(propylene fumarate) (PPF) was used as the biomaterial, diethyl fumarate (DEF) was used as the solvent, and bisacrylphosphrine oxide (BAPO) was used as the photoinitiator. Three different weight ratios of PPF/DEF and BAPO contents were characterized by measuring the viscosities and thermal properties of the un-cross-linked solutions and the mechanical properties of the formed scaffolds. After optimizing the resin composition by satisfying both the viscosity limitation and the mechanical requirement, laser parameters such as critical exposure (Ec) and penetration depth (Dp) were determined from the working curve and the relationship between laser speed and energy by measuring the thickness of predesigned windows fabricated in stereolithography with different ranges of Ec and Dp. Three-dimensional scaffolds with various pore sizes, pore shapes, and porosities were designed in computer-aided design (CAD) software and were fabricated in stereolithography. The fabricated scaffolds were characterized by measuring external dimensions, porosities, mean pore sizes, and compressive moduli and were compared to the CAD models. Feature accuracy in the xy-plane was achieved and overcuring of the resin in z-axis was minimized. The stereolithographically fabricated scaffolds with controlled microstructures can be useful in diverse tissue engineering applications.

Poly(propylene fumarate) bone tissue engineering scaffold fabrication using stereolithography: effects of resin formulations and laser parameters.

Stereolithographie mit Foto-Kreuz-Linkbar Polymere Biomaterialien ist eine effiziente Methode f&uuml;r die Herstellung von hochkomplexer dreidimensionaler (3D) Ger&uuml;sten mit kontrollierten Mikrostrukturen f&uuml;r Gewebe-engineering-Anwendungen. In dieser Studie haben wir die UV h&auml;rtenden Polymer L&ouml;sung Zusammensetzung und Laser Parameter f&uuml;r die Stereolithographie-Maschine optimiert. Poly(Propylene fumarate) (PPF) diente das Biomaterial Diethyl Fumarat (DEF) wurde als L&ouml;sungsmittel verwendet und Bisacrylphosphrine-oxid (BAPO) wurde als die Fotoinitiators verwendet. Drei verschiedene Gewicht Verh&auml;ltnisse PPF/DEF und BAPO Inhalt wurden durch Messung der Viskosit&auml;t und thermische Eigenschaften der un-cross-linked L&ouml;sungen und die mechanischen Eigenschaften der gebildeten Leitschienen gekennzeichnet. Nach der Optimierung der Zusammensetzung Harz wozu Sie sowohl die Viskosit&auml;t-Einschr&auml;nkung und die mechanische Anforderung, Laser-Parameter wie kritischen Exposition (EG) und Eindringtiefe (Dp) wurden aus der Arbeitskurve ermittelt und die Beziehung zwischen Laser-Geschwindigkeit und Energie durch die Messung der Dicke von vordefinierten Windows hergestellt in Stereolithographie mit verschiedenen Reichweiten von EG und Dp. dreidimensionalen Ger&uuml;sten mit verschiedenen Porengr&ouml;&szlig;en, pore Formen und Porosit&auml;ten wurden im Computer aided Design (CAD) Software entworfen und hergestellt wurden, in Stereolithographie. Die gefertigte Ger&uuml;ste zeichneten sich durch Messung der Au&szlig;enma&szlig;e, Porosit&auml;ten und mittlere Porengr&ouml;&szlig;en Kompressive Modulraum und waren im Vergleich zu den CAD-Modellen. Feature-Genauigkeit in der Xy-Ebene erreicht wurde, und overcuring des Harzes in z-Achse wurde minimiert. Die Stereolithographically fabriziert-Ger&uuml;sten mit kontrollierten Mikrostrukturen k&ouml;nnen in vielf&auml;ltigen Tissue-engineering Anwendungen n&uuml;tzlich sein.

Poly (Propylen Fumarat) Knochen Gewebe technische Ger&uuml;st Fertigung mit Stereolithographie: Auswirkungen von Harz Formulierungen und Laser-Parameter.

Poly(propylene fumarate) (PPF) is an injectable, biodegradable polymer that has been used for fabricating preformed scaffolds in tissue engineering applications because of in situ crosslinking characteristics. Aiming for understanding the effects of pore structure parameters on bone tissue ingrowth, 3-dimensional (3D) PPF scaffolds with controlled pore architecture have been produced in this study from computer-aided design (CAD) models. We have created original scaffold models with 3 pore sizes (300, 600, and 900 microm) and randomly closed 0%, 10%, 20%, or 30% of total pores from the original models in 3 planes. PPF scaffolds were fabricated by a series steps involving 3D printing of support/build constructs, dissolving build materials, injecting PPF, and dissolving support materials. To investigate the effects of controlled pore size and interconnectivity on scaffolds, we compared the porosities between the models and PPF scaffolds fabricated thereby, examined pore morphologies in surface and cross-section using scanning electron microscopy, and measured permeability using the falling head conductivity test. The thermal properties of the resulting scaffolds as well as uncrosslinked PPF were determined by differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis. Average pore sizes and pore shapes of PPF scaffolds with 600- and 900-microm pores were similar to those of CAD models, but they depended on directions in those with 300-microm pores. Porosity and permeability of PPF scaffolds decreased as the number of closed pores in original models increased, particularly when the pore size was 300 microm as the result of low porosity and pore occlusion. These results show that 3D printing and injection molding technique can be applied to crosslinkable polymers to fabricate 3D porous scaffolds with controlled pore structures, porosity, and permeability using their CAD models.

Fabrication and characterization of poly(propylene fumarate) scaffolds with controlled pore structures using 3-dimensional printing and injection molding.

Poly(Propylene fumarate) (PPF) ist ein injizierbares, biologisch abbaubare Polymer, der f&uuml;r die Herstellung vorgeformte Ger&uuml;ste in Tissue-engineering-Anwendungen aufgrund von in-situ Vernetzung Eigenschaften verwendet wurde. Mit dem Ziel, f&uuml;r das Verst&auml;ndnis der Auswirkungen der Pore Strukturparameter auf Knochen Gewebe Einwachsen, wurden dreidimensionale (3D) PPF-Ger&uuml;sten mit gesteuerter Pore Architektur in dieser Studie von Computer aided Design (CAD) Modelle produziert. Wir haben original Ger&uuml;st-Modelle mit 3 Pore Gr&ouml;&szlig;en (300, 600 und 900 Microm) und zuf&auml;llig geschlossen, 0 %, 10 %, 20 % oder 30 % der Gesamt Poren von den Originalmodellen in 3 Ebenen. PPF-Ger&uuml;ste wurden durch eine Reihe Schritte 3D Drucken Unterst&uuml;tzung/Build-Konstrukte, Aufl&ouml;sen von Baumaterialien, Injektion PPF und Aufl&ouml;sen von Support-Materialien hergestellt. Um die Auswirkungen der kontrollierten Porengr&ouml;&szlig;e und Interkonnektivit&auml;t auf Ger&uuml;sten zu untersuchen, verglichen wir die Porosit&auml;ten zwischen den Modellen und PPF Ger&uuml;ste damit fabriziert, untersucht Pore Morphologien in Oberfl&auml;che und Querschnitt verwenden Rasterelektronenmikroskopie und Durchl&auml;ssigkeit mit dem sinkenden Kopf Leitf&auml;higkeit-Test gemessen. Die thermischen Eigenschaften des entstandenen Ger&uuml;ste sowie unvernetzte PPF waren durch differentielle Scan Kalorimetrie und Thermogravimetrische Analyse bestimmt. Durchschnittliche Porengr&ouml;&szlig;en und Pore Formen der PPF-Ger&uuml;sten mit 600 und 900-Microm Poren waren &auml;hnlich denen von CAD-Modellen, aber sie hing von Richtungen, in denen mit 300-Microm Poren. Porosit&auml;t und Permeabilit&auml;t der PPF-Ger&uuml;sten sank die Zahl der geschlossenen Poren im urspr&uuml;nglichen Modelle stiegen, besonders wenn die Porengr&ouml;&szlig;e 300 Microm infolge des niedrigen Porosit&auml;t und Poren Okklusion. Diese Ergebnisse zeigen, dass 3D-Druck und Spritzguss-Technik vernetzbarem Polymere 3D por&ouml;se Ger&uuml;sten mit gesteuerter Pore Strukturen, Porosit&auml;t und Permeabilit&auml;t, die mit ihrer CAD-Modelle zu fabrizieren angewendet werden k&ouml;nnen.

Herstellung und Charakterisierung von Poly(propylene fumarate) Ger&uuml;sten mit gesteuerter Pore-Strukturen, die mit 3-dimensionalen Druck- und Spritzguss.

Novel biodegradable poly(ethylene glycol) (PEG) based hydrogels, namely, PEG sebacate diacrylate (PEGSDA) were synthesized, and their properties were evaluated. Chemical structures of these polymers were confirmed by Fourier transform infrared and proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopy. After photopolymerization, the dynamic shear modulus of the hydrogels was up to 0.2 MPa for 50% PEGSDA hydrogel, significantly higher than conventional hydrogels such as PEG diacrylate (PEGDA). The swelling ratios of these macromers were significantly lower than PEGDA. The in vitro degradation study demonstrated that these hydrogels were biodegradable with weight losses about 66% and 32% for 25% and 50% PEGSDA after 8 weeks of incubation in phosphate-buffered saline at 37 degrees C. In vitro biocompatibility was assessed using cultured rat bone marrow stromal cells (MSCs) in the presence of unreacted monomers or degradation products. Unlike conventional PEGDA hydrogels, PEGSDA hydrogel without RGD peptide modification induced MSC cell adhesion similar to tissue culture polystyrene. Finally, complex three-dimensional structures of PEGSDA hydrogels using solid free form technique were fabricated and their structure integrity was better maintained than PEGDA hydrogels. These hydrogels may find use as scaffolds for tissue engineering applications.

Synthesis and evaluation of novel biodegradable hydrogels based on poly(ethylene glycol) and sebacic acid as tissue engineering scaffolds.

Neuartige biologisch abbaubare Poly(ethylene glycol) (PEG) basierte Hydrogele, n&auml;mlich PEG sebacat entwickelt-diacrylat (PEGSDA) wurden synthetisiert und ihre Eigenschaften wurden ausgewertet. Chemische Strukturen dieser Polymere wurden durch Fourier-Transformation Infrarot- und Proton (1 H-NMR) KERNRESONANZSPEKTROSKOPIE best&auml;tigt. Nach Photopolymerisation war der dynamische Schubmodul von der Hydrogele bis zu 0,2 MPa bei 50 % PEGSDA Hydrogel, deutlich h&ouml;her als konventionelle Hydrogele wie PEG-diacrylat (PEGDA). Die Schwellung Verh&auml;ltnisse von dieser Macromers waren deutlich niedriger als PEGDA. Die Verschlechterung der in-vitro-Studie gezeigt, dass diese Hydrogele biologisch abbaubar mit Gewicht Verluste &uuml;ber 66 % und 32 % auf 25 % und 50 wurden % PEGSDA nach 8 Wochen Inkubation in Phosphat-gepufferter Kochsalzl&ouml;sung bei 37 Grad C. In-vitro-Biokompatibilit&auml;t wurde bewertet mit kultivierten Ratte stromal Knochenmarkzellen (MSCs) in Anwesenheit von Spurenverunreinigungen Monomere oder Abbauprodukte. Im Gegensatz zu herk&ouml;mmlichen PEGDA Hydrogele induzierte PEGSDA Hydrogel ohne &Auml;nderung der RGD-Peptid MSC Zelladh&auml;sion Gewebekultur Polystyrol &auml;hnlich. Schlie&szlig;lich komplexe dreidimensionale Strukturen der PEGSDA Hydrogele mit fester Free-Form-Technik hergestellt wurden und ihre Struktur Integrit&auml;t war besser als PEGDA Hydrogele gepflegt. Diese Hydrogele finden Verwendung als Ger&uuml;ste f&uuml;r Tissue-engineering-Anwendungen.

Synthese und Evaluierung der neuartige biologisch abbaubare Hydrogele basierend auf Poly (Ethylene Glycol) und Sebacins&auml;ure als Tissue-engineering von Ger&uuml;sten.

A series of crosslinkable nanocomposites has been developed using hydroxyapatite (HA) nanoparticles and poly(propylene fumarate) (PPF). PPF/HA nanocomposites with four different weight fractions of HA nanoparticles have been characterized in terms of thermal and mechanical properties. To assess surface chemistry of crosslinked PPF/HA nanocomposites, their hydrophilicity and capability of adsorbing proteins have been determined using static contact angle measurement and MicroBCA protein assay kit after incubation with 10% fetal bovine serum (FBS), respectively. In vitro cell studies have been performed using MC3T3-E1 mouse pre-osteoblast cells to investigate the ability of PPF/HA nanocomposites to support cell attachment, spreading, and proliferation after 1, 4, and 7 days. By adding HA nanoparticles to PPF, the mechanical properties of crosslinked PPF/HA nanocomposites have not been increased due to the initially high modulus of crosslinked PPF. However, hydrophilicity and serum protein adsorption on the surface of nanocomposites have been significantly increased, resulting in enhanced cell attachment, spreading, and proliferation after 4 days of cell seeding. These results indicate that crosslinkable PPF/HA nanocomposites are useful for hard tissue replacement because of excellent mechanical strength and osteoconductivity.

Physical properties and cellular responses to crosslinkable poly(propylene fumarate)/hydroxyapatite nanocomposites.

Eine Reihe von vernetzbaren Nanocomposites wurde mit Nanopartikeln Hydroxylapatit (HA) und Poly(propylene fumarate) (PPF) entwickelt. PPF/HA Nanocomposites mit vier verschiedenen Gewicht Br&uuml;chen HA Nanopartikel haben in Bezug auf die thermische und mechanische Eigenschaften charakterisiert. Oberfl&auml;chenchemie der vernetzte PPF/HA Nanocomposites zu bewerten, wurden ihre Hydrophilie und F&auml;higkeit der adsorbierenden Proteine bestimmt mit statischen Kontaktwinkel Mess- und MicroBCA Protein Assay-Kit nach Inkubation mit 10 % F&ouml;tales Bovines Serum (FBS). In vitro Zell-Studien wurden durchgef&uuml;hrt mit MC3T3-E1 Maus pre-osteoblast Zellen, um die F&auml;higkeit der PPF/HA Nanocomposites, Zelladh&auml;sion, Ausbreitung und Verbreitung nach 1, 4 und 7 Tagen unterst&uuml;tzen zu untersuchen. Durch Hinzuf&uuml;gen von HA-Nanopartikeln, PPF, wurden die mechanischen Eigenschaften der vernetzte PPF/HA Nanocomposites nicht aufgrund der anf&auml;nglich hohen Elastizit&auml;tsmodul vernetzte PPF erh&ouml;ht. Jedoch wurden Hydrophilie und Serum Proteinadsorption an der Oberfl&auml;che Nanocomposites deutlich erh&ouml;ht wodurch verbesserte Zelladh&auml;sion, Ausbreitung und Verbreitung nach 4 Tagen der Zelle Aussaat. Diese Ergebnisse zeigen, dass vernetzbarem PPF/HA Nanocomposites n&uuml;tzlich f&uuml;r Hartgewebe Ersatz wegen hervorragende mechanische Festigkeit und Osteokonduktivit&auml;t.

Physikalische Eigenschaften und zellul&auml;ren Reaktionen auf vernetzbarem Poly(propylene fumarate)/Hydroxylapatit Nanocomposites.

We present enhanced cell ingrowth and proliferation through cross-linked three-dimensional (3D) nanocomposite scaffolds fabricated using poly(propylene fumarate) (PPF) and hydroxyapatite (HA) nanoparticles. Scaffolds with controlled internal pore structures were produced from computer-aided design (CAD) models and solid freeform fabrication (SFF) technique, while those with random pore structures were fabricated by a NaCl leaching technique for comparison. The morphology and mechanical properties of scaffolds were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and mechanical testing, respectively. Pore interconnectivity of scaffolds was assessed using X-ray microcomputed tomography (micro-CT) and 3D imaging analysis. In vitro cell studies have been performed using MC3T3-E1 mouse preosteoblasts and cultured scaffolds in a rotating-wall-vessel bioreactor for 4 and 7 days to assess cell attachment, viability, ingrowth depth, and proliferation. The mechanical properties of cross-linked nanocomposite scaffolds were not significantly different after adding HA or varying pore structures. However, pore interconnectivity of PPF/HA nanocomposite scaffolds with controlled pore structures has been significantly increased, resulting in enhanced cell ingrowth depth 7 days after cell seeding. Cell attachment and proliferation are also higher in PPF/HA nanocomposite scaffolds. These results suggest that cross-linked PPF/HA nanocomposite scaffolds with controlled pore structures may lead to promising bone tissue engineering scaffolds with excellent cell proliferation and ingrowth.

Enhanced cell ingrowth and proliferation through three-dimensional nanocomposite scaffolds with controlled pore structures.

Wir pr&auml;sentieren verst&auml;rkte Zelle Einwachsen und Vermehrung durch vernetzte dreidimensionale (3D) Nanocomposite Ger&uuml;ste von Poly(propylene fumarate) (PPF) und Hydroxylapatit (HA)-Nanopartikel fabriziert. Ger&uuml;sten mit kontrollierten internen Pore Strukturen wurden von Computer aided Design (CAD) Modellen und solide Freiform-Fabrikation (SFF) Technik, produziert, w&auml;hrend diejenigen mit zuf&auml;lligen Pore Strukturen von eine NaCl Auslaugung Technik zum Vergleich angefertigt wurden. Morphologie und mechanische Eigenschaften von Ger&uuml;sten waren gekennzeichnet mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und mechanische Pr&uuml;fung, beziehungsweise. Pore Interkonnektivit&auml;t von Ger&uuml;sten wurde nach Microcomputed R&ouml;ntgentomographie (Mikro-CT) und 3D imaging Analyse bewertet. In vitro Zell-Studien wurden durchgef&uuml;hrt mit MC3T3-E1 Maus Preosteoblasts und kultivierten Scaffolds in eine rotierende-Wand-Schiff-Bioreaktor f&uuml;r 4 bis 7 Tage Zelladh&auml;sion, Lebensf&auml;higkeit, Tiefe Einwachsen und Verbreitung zu beurteilen. Die mechanischen Eigenschaften der querverbundenen Nanocomposite Ger&uuml;sten waren nicht signifikant verschieden nach dem Hinzuf&uuml;gen der HA oder unterschiedliche Pore Strukturen. Jedoch Pore Interkonnektivit&auml;t von PPF/HA Nanocomposite Ger&uuml;sten mit gesteuerter Porengr&ouml;&szlig;e Strukturen wurde wesentlich erh&ouml;ht, was zu verst&auml;rkter Zelle Einwachsen Tiefe 7 Tage nach der Ansaat der Zelle. Zelladh&auml;sion und Verbreitung sind auch h&ouml;her in PPF/HA Nanocomposite Ger&uuml;sten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass querverbundene PPF/HA Nanocomposite Ger&uuml;sten mit gesteuerter Porengr&ouml;&szlig;e Strukturen zu vielversprechenden Knochen Tissue-engineering Ger&uuml;sten mit ausgezeichneten Zellproliferation und Einwachsen f&uuml;hren.

Verst&auml;rkte Zelle Einwachsen und Vermehrung durch dreidimensionale Nanocomposite Ger&uuml;sten mit gesteuerter Porengr&ouml;&szlig;e Strukturen.

Mature elastin synthesis is a key challenge in arterial tissue engineering. Most engineered vessels lack elastic fibers in the medial layer and those present are poorly organized. The objective of this study is to increase mature elastin synthesis in small-diameter arterial constructs. Adult primary baboon smooth muscle cells (SMCs) were seeded in the lumen of porous tubular scaffolds fabricated from a biodegradable elastomer, poly(glycerol sebacate) (PGS) and cultured in a pulsatile flow bioreactor for 3Â wk. We tested the effect of pore sizes on construct properties by histological, biochemical, and mechanical evaluations. Histological analysis revealed circumferentially organized extracellular matrix proteins including elastin and the presence of multilayered SMCs expressing calponin and Î±-smooth muscle actin. Biochemical analysis demonstrated that the constructs contained mature elastin equivalent to 19% of the native arteries. Mechanical tests indicated that the constructs could withstand up to 200Â mmHg burst pressure and exhibited compliance comparable to native arteries. These results show that nontransfected cells in PGS scaffolds in unsupplemented medium produced a substantial amount of mature elastin within 3Â wk and the elastic fibers had similar orientation as those in native arteries. The 25-32Â Î¼m pore size supported cell organization and elastin synthesis more than larger pore sizes. To our knowledge, there was no prior report of the synthesis of mature and organized elastin in arterial constructs without exogenous factors or viral transduction.

Substantial expression of mature elastin in arterial constructs.

Reife Elastin-Synthese ist eine zentrale Herausforderung in arteriellen Tissue-Engineering. Am meisten ver&auml;nderte Gef&auml;&szlig;e fehlen elastischen Fasern in der medialen Ebene und die anwesenden sind schlecht organisiert. Das Ziel dieser Studie ist es, ausgereifte Elastin-Synthese in kleinem Durchmesser arteriellen Konstrukte zu erh&ouml;hen. Erwachsene prim&auml;re Pavian glatten Muskelzellen (SMCs) waren in das Lumen des por&ouml;sen tubul&auml;re Ger&uuml;ste, hergestellt aus einem biologisch abbaubaren Elastomer, Poly(glycerol sebacate) (PGS) ges&auml;t und kultiviert in einem Bioreaktor pulsierender Fluss f&uuml;r 3 Wch. Wir testeten die Wirkung von Porengr&ouml;&szlig;en auf Konstrukt Eigenschaften durch histologische, biochemischen und mechanischen Bewertungen. Histologische Analyse offenbart Umfangsrichtung organisiert extrazellul&auml;ren Matrix Proteine einschlie&szlig;lich Elastin und das Vorhandensein von vielschichtigen SMCs Calponin und &alpha;-glatten Muskel Aktin Ausdr&uuml;cken. Biochemische Analysen gezeigt, dass die Konstrukte Reife Elastin entspricht 19 % der nativen Arterien enthalten. Mechanische Pr&uuml;fungen zeigten, dass die Konstrukte bis 200 MmHg Berstdruck standhalten konnte und Einhaltung vergleichbar mit native Arterien ausgestellt. Diese Ergebnisse zeigen, dass nontransfected Zellen im PGS-Ger&uuml;sten in unsupplemented Medium eine betr&auml;chtliche Menge von Reifen Elastin innerhalb 3 wk produziert und die elastischen Fasern &auml;hnlichen Ausrichtung wie in native Arterien hatte. Die 25-32 &mu;m Porengr&ouml;&szlig;e unterst&uuml;tzt Zelle Organisation und Elastin-Synthese mehr als gr&ouml;&szlig;eren Poren. Unseres Wissens gab es keine vorherigen Bericht der Synthese der Reifen und organisierte Elastin in arteriellen Konstrukte ohne exogene Faktoren oder virale Transduktion.

Article	Year
Poly(propylene fumarate) bone tissue engineering scaffold fabrication using stereolithography: effects of resin formulations and laser parameters. Biomacromolecules\| PubMed ID: 17326677	2007
Fabrication and characterization of poly(propylene fumarate) scaffolds with controlled pore structures using 3-dimensional printing and injection molding. Tissue engineering\| PubMed ID: 17518649	2006
Synthesis and evaluation of novel biodegradable hydrogels based on poly(ethylene glycol) and sebacic acid as tissue engineering scaffolds. Biomacromolecules\| PubMed ID: 18072747	2008
Physical properties and cellular responses to crosslinkable poly(propylene fumarate)/hydroxyapatite nanocomposites. Biomaterials\| PubMed ID: 18403013	2008
Enhanced cell ingrowth and proliferation through three-dimensional nanocomposite scaffolds with controlled pore structures. Biomacromolecules\| PubMed ID: 20112899	2010
Substantial expression of mature elastin in arterial constructs. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America\| PubMed ID: 21282618	2011

Kee-Won Lee

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