Name: distinctive capillary action by micro-channels in bone-like templates can enhance recruitment of cells for restoration of large bony defect
Uploaded: 2015-09-11T14:00:00
Duration: 9 min 35 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Distinctive Capillary Action by Micro-channels in Bone-like Templates can Enhance Recruitment of Cells for Restoration of Large Bony Defect at JoVE.com

The authors have no acknowledgements.

1. Polyuretan (PU) Svamp Framställning som mall <ol><li> Använd PU svampar för att producera hydroxiapatitkristaller mallar innehåller sammankopplande porer. Använd varje svamp för att ge den primära trabeculae för bildandet av mall stöttorna liksom bildningen av mikrokanaler inom trabeculae. </li><li> Klipp och trimma 80 ppi (porer per tum) svampar i 2 bro-former med måtten 3,5 cm i höjd x 5 cm i längd x 1,5 cm i bredd. Anm: De dimensioner och former kan väljas i enlighet med den önskade primära porstorlek: 100 ppi, 80 ppi och 60 ppi. </li><li> Gör en 100 ml 4% (vikt / volym) NaOH-lösning med användning av en 150 ml bägare; sedan fördjupa och pressa tills förberedda svampar är helt dränkts. </li><li> Efter blötläggning, placera bägaren med svamparna i ultraljud (42 kHz). </li><li> Ultraljud förbehandla PU svampar för 15-20 min utan värme för att modifiera ytegenskaper. </li><li> Skölj med destilleratvatten under 5-10 min. Medan sköljning, pressa svamparna och ge dem möjlighet att expandera 5 till 7 gånger för att avlägsna kvarvarande NaOH inuti svamparna. </li><li> Pressa svampar med pappershanddukar för att avlägsna överskottsvatten; sedan torka dem i en ugn vid 60-80 ° C. </li></ol> 2. Hydroxyapatit (HA) Slurry Förberedelse för beläggning <ol><li> Innan HA uppslamningen, mäta vikten av en bägare med en magnetisk omrörarstav. Denna mätning kommer att användas för att beräkna den pulver / vätskeförhållandet. </li><li> Åtgärd 10 g av nanostorlek HA pulver. </li><li> Tillsätt 20 ml destillerat vatten i 50 ml bägare. Värm för 120-140 ° C och rör om med hjälp av en värmeplatta magnetomrörare. </li><li> Lägg 0,3 g (3% vikt / vikt) av polyvinylalkohol (PVA) (89,000-98,000 MW) per pulver i destillerat vatten under omröring vid 300-400 varv per minut. </li><li> Rör om tills PVA har lösts upp. Lösningen ska vara klar efter fullständig upplösning av PVA. </li><li> Vrid off värmen och till 0,1 g (1% vikt / vikt) av natriumkarboximetylcellulosa (CMC) (ultra-låg viskositet) för pulver under omröring vid 400 till 500 varv per minut. Lösningen ska vara klar efter fullständig upplösning av PVA. </li><li> Rör om tills CMC har lösts upp och svalna till RT. </li><li> Lägg 0,3 g (3% vikt / vikt) av ammoniumpolyakrylat dispergeringsmedel per pulver under omröring vid 300 till 400 varv per minut. Rör om tills allt löst sig. </li><li> Lägg 0,2 g (2% vikt / vikt) av glycerol per pulver under omröring vid 300 till 400 varv per minut. Rör om tills allt löst sig. </li><li> Långsamt dispergera HA pulvret i lösningen under omröring vid 600-900 varv per minut och hålla omröring under 5 minuter. </li><li> Sonikera under 5 min med hjälp av en ultraljud att säkerställa spridningen av någon agglomerering av HA pulver. </li><li> Lägg en extra 5 ml destillerat vatten i blandningen under omrörning vid 600-900 rpm och värme vid 90-100 ° C. </li><li> Håll omrörning av blandningen under användning av en magnetisk omrörare vid 600-800 rpm vid 90-100 ° C i Order för att avdunsta vatteninnehållet. </li><li> Mäta hela vikt inklusive bägaren och blandningen emellanåt tills ett pulver / vätskeförhållande av 1,75 till 1,8 erhålles. </li><li> Formatering av pulver / vätskeförhållandet, dividera vikten av pulvret med den totala vikten av blandningen (2,14), inklusive pulver, reagens och vatten, minus vikten av bägaren och omröraren (2,1), och minus HA pulver (2,2). Obs: Till exempel: Om A (hela blandningen inklusive pulver, reagens och vatten) är 49,05 g, är B (bägare med omrörare) 33,5 g, och sedan C (HA pulver) är 10 g. C / (ABC) = 10 / (49.05-33.5-10) = 1,80 </li><li> Tillåt uppslamningen svalna till RT innan den används för beläggning. </li></ol> 3. HA beläggning, torkning och sintring <ol><li> Coat de framställda PU svampar med HA beläggnings uppslamningen med användning av en rostfri spatel tills uppslamningen homogent fördelad genom PU svampen på en glasplatta. Obs: Efter avlägsnande av överskottet sluddrary, en del av porer kan fortfarande igensatta med slam på grund av viskositeten hög slammet. </li><li> För att säkerställa sammanlänkning, enhetlighet och öppna porer, något blåsa HA belagda mallar med en luftkompressor. Denna process säkerställer att mallarna är homogent belagda både på insidan och yttre ytorna av PU svamp. Obs: Om en homogen beläggning inte uppnås, kommer HA belagda mallarna kollapsa under sintringsprocessen och kan också spricka under hantering på grund av låg mekanisk hållfasthet. Dessutom är den homogena beläggningen kritisk för att skapa mikrokanaler inuti trabeculae. </li><li> Torka de HA-belagda mallar för ett minimum av 5 h under betingelser kylning (20-25 ° C) med försiktig luftcirkulation. Emellertid förlänger torktiden baserad på storleken på mallen. Obs: Efter torkning, kommer HA belagda mallar typiskt krymper ungefär 8% till 10% i varje dimension. </li><li> Efter torkningsprocessen, placera HAbelagda mallar på en aluminiumoxiddegel. Sedan placera dem i en hög ugnstemperatur och använd följande åtta steg sintring profil. <ol><li> Värm 2 ° C / min tills 230 ° C. </li><li> Värm en ° C / min tills 280 ° C. </li><li> Värm 0,5 ° C / min tills 400 ° C. </li><li> Heat 3 ° C / min tills 600 ° C. Förvara vid 600 ° C under en timme. </li><li> Värm 5 ° C / min tills 1230 ° C. Håll 1230 ° C under 3 h. </li><li> Kall 5 ° C / min till rumstemperatur. Obs: Sintring kommer att ytterligare krympa HA belagda svamp mallar med ca 22% - 25% i varje dimension. </li></ol></li></ol> 4. Ingress och Inhabitancy av celler i Mall <ol><li> Kultur pre-osteoblastiska MC3T3-celler i ett icke-osteogen medier bestående av α-MEM, kompletterat med 10% fetalt bovint serum (FBS) och 1% antibiotika (streptomycin och penicillin) vid 37 ° C i en fuktad atmosfär innehållande 5% CO 2 . </li><li> Tillsätt 10 mlav en cellsuspension vid 2 x 10 6 celldensitet i en enda brunn i en 6-brunnsplatta. </li><li> Placera 3 cm x 4 cm x 1 cm bryggformad mall vertikalt in i 6-brunnars platta. Placera ett ben av mallen i plattan innehållande cellsuspensionen, och det andra benet i ett intilliggande tom brunn. </li><li> Så att schablonen absorbera cellsuspensionen under 10 min. </li><li> Tillsätt 5 ml av media därefter till brunnen som ursprungligen fylldes med cellsuspensionen. </li><li> Fyll på mediet i båda brunnarna var 2 eller 3 dagar tills 7 dagar har förflutit. </li><li> Bestämma effektiviteten av cellrörlighet genom hematoxylin och eosinfärgning 11. <ol><li> Fixera cellerna och byggnadsställning genom nedsänkning i 100% EtOH för 20-30 min. </li><li> Fläcken med Hematoxylin för 1-2 minuter. </li><li> Skölj med destillerat vatten i 1-2 minuter för två gånger. </li><li> Dehydratisera genom nedsänkning i 70%, sedan 95%, sedan 100% EtOH under 1-2 minuter vardera. </li><li> Fläck med Eosin för 20-30 sek. </li><li> Skölj med destillerat vatten under 12 minuter för två gånger. </li><li> Dehydratisera genom nedsänkning i 70%, 80%, 90%, och 100% EtOH under 1-2 minuter vardera. </li><li> Bädda ställningen i ett akrylharts för sektione och avbildning. </li></ol></li><li> Bestäm cellviabiliteten med 3- [4,5-dimetyltiazol-2-yl] -2,5-difenyltetrazoliumbromid (MTT) cellviabiliteten analysen och Live / Dead analys (levande / död cell färgningskit MPTP) vid tidpunkter dag 3 och 7 11. Obs: Systemet för benliknande mall tillverkningsprotokoll är representerade i &quot;Representativa resultat&quot; session. </li></ol>

<ol>
	<li>Petrie Aronin, E. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparative+effects+of+scaffold+pore+size,+pore+volume,+and+total+void+volume+on+cranial+bone+healing+patterns+using+microsphere-based+scaffolds.">Comparative effects of scaffold pore size, pore volume, and total void volume on cranial bone healing patterns using microsphere-based scaffolds.</a> J Biomed Mater Res A. 89 (3), 632-641 (2009).</li><li>Guzm&#225;n, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chitosan+scaffolds+containing+calcium+phosphate+salts+and+rhBMP-2:+in+vitro+and+in+vivo+testing+for+bone+tissue+regeneration.">Chitosan scaffolds containing calcium phosphate salts and rhBMP-2: in vitro and in vivo testing for bone tissue regeneration.</a> PLoS One. 9 (2), e87149 (1371).</li><li>Cha, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sinus+augmentation+using+BMP-2+in+a+bovine+hydroxyapatite/collagen+carrier+in+dogs.">Sinus augmentation using BMP-2 in a bovine hydroxyapatite/collagen carrier in dogs.</a> J Clin Periodontol. 41 (1), 86-93 (2014).</li><li>Karageorgiou, V., Kaplan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porosity+of+3D+biomaterial+scaffolds+and+osteogenesis.">Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis.</a> Biomaterials. 26 (27), 5474-5491 (2005).</li><li>Fisher, M. B., Mauck, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+engineering+and+regenerative+medicine:+recent+innovations+and+the+transition+to+translation.">Tissue engineering and regenerative medicine: recent innovations and the transition to translation.</a> Tissue Eng Part B Rev. 19 (1), 1-13 (2013).</li><li>Manassero, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regeneration+in+Sheep+Using+Acropora+Coral,+a+Natural+Resorbable+Scaffold,+and+Autologous+Mesenchymal+Stem+Cells.">Regeneration in Sheep Using Acropora Coral, a Natural Resorbable Scaffold, and Autologous Mesenchymal Stem Cells.</a> Tissue Eng Part A. 19 (13-14), 1554-1563 (2013).</li><li>Reichert, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+tissue+engineering+solution+for+segmental+defect+regeneration+in+load-bearing+long+bones.">A tissue engineering solution for segmental defect regeneration in load-bearing long bones.</a> Sci Transl Med. 4 (141), 141ra93 (2012).</li><li>Sachlos, E., Czernuszka, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+Tissue+Engineering+Scaffolds+Work.+Review+on+The+Application+of+Solid+Freeform+Fabrication+Technology+to+The+Production+of+Tissue+Engineering+Scaffolds.">Making Tissue Engineering Scaffolds Work. Review on The Application of Solid Freeform Fabrication Technology to The Production of Tissue Engineering Scaffolds.</a> Eur Cell Mater. 5, 29-40 (2003).</li><li>Woodard, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+mechanical+properties+and+osteoconductivity+of+hydroxyapatite+bone+scaffolds+with+multi-scale+porosity.">The mechanical properties and osteoconductivity of hydroxyapatite bone scaffolds with multi-scale porosity.</a> Biomaterials. 28 (1), 45-54 (2007).</li><li>Correia, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Acta Biomater. 8 (7), 2483-2492 (2012).</li><li>Wang, H., Li, Y., Zuo, Y., Li, J., Ma, S., Cheng, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocompatibility+and+osteogenesis+of+biomimetic+nano-hydroxyapatite/polyamide+composite+scaffolds+for+bone+tissue+engineering.">Biocompatibility and osteogenesis of biomimetic nano-hydroxyapatite/polyamide composite scaffolds for bone tissue engineering.</a> Biomaterials. 28 (22), 3338-3348 (2007).</li><li>Oh, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bone+marrow+absorption+and+retention+properties+of+engineered+scaffolds+with+micro-channels+and+nano-pores+for+tissue+engineering:+a+proof+of+concept.">Bone marrow absorption and retention properties of engineered scaffolds with micro-channels and nano-pores for tissue engineering: a proof of concept.</a> Ceram Int. 39 (7), 8401-8410 (2013).</li><li>Hong, M. H., Kim, Y. H., Ganbat, D., Kim, D. G., Bae, C. S., Oh, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capillary+action:+enrichment+of+retention+and+habitation+of+cells+via+micro-channeled+scaffolds+for+massive+bone+defect+regeneration.J.">Capillary action: enrichment of retention and habitation of cells via micro-channeled scaffolds for massive bone defect regeneration.J.</a> Mater Sci Mater Med. 25 (8), 1991-2001 (2014).</li><li>Volkmer, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hypoxia+in+static+and+dynamic+3D+culture+systems+for+tissue+engineering+of+bone.">Hypoxia in static and dynamic 3D culture systems for tissue engineering of bone.</a> Tissue Eng. Part A. 14 (8), 1331-1340 (2008).</li><li>Malda, J., Klein, T. J., Upton, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+roles+of+hypoxia+in+the+in+vitro+engineering+of+tissues.">The roles of hypoxia in the in vitro engineering of tissues.</a> Tissue Eng. 13 (9), 2153-2162 (2007).</li><li>Macchetta, A., Turner, I. G., Bowen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+HA/TCP+scaffolds+with+a+graded+and+porous+structure+using+a+camphene-based+freeze-casting+method.">Fabrication of HA/TCP scaffolds with a graded and porous structure using a camphene-based freeze-casting method.</a> Acta Biomater. 5 (4), 1319-1327 (2009).</li><li>Cox, S. C., Thornby, J. A., Gibbons, G. J., Williams, M. A., Mallick, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+porous+hydroxyapatite+scaffolds+intended+for+use+in+bone+tissue+engineering+applications.">3D printing of porous hydroxyapatite scaffolds intended for use in bone tissue engineering applications.</a> Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 47, 237-247 (2015).</li><li>Wan, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adhesion+and+proliferation+of+OCT-1+osteoblast-like+cells+on+micro-+and+nano-scale+topography+structured+poly(l-lactide).">Adhesion and proliferation of OCT-1 osteoblast-like cells on micro- and nano-scale topography structured poly(l-lactide).</a> Biomaterials. 26 (21), 4453-4459 (2005).</li><li>Zhao, L., Mei, S., Chu, P. K., Zhang, Y., Wu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+hierarchical+hybrid+micro/nano-textured+titanium+surface+with+titania+nanotubes+on+osteoblast+functions.">The influence of hierarchical hybrid micro/nano-textured titanium surface with titania nanotubes on osteoblast functions.</a> Biomaterials. 31 (19), 5072-5082 (2010).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Ett fler mall komponent inkluderande celler, tillväxtfaktorer, näringsämnen, etc. behövs för lyckad benuppbyggnad och funktionell restaurering av kritiska stora stora bendefekter. Inom dessa faktorer, anatomiskt överensstämmande biologiska egenskaper är viktiga. För att åstadkomma den biologiska funktionen måste mallen uppvisa biokompatibilitet, osteokonduktivitet, mekanisk integritet, tillräcklig yta, lämplig ytstruktur och medlen för syre och näringsämnen transport. På cellnivå, följande funktioner är särskilt viktigt för funktionell restaurering av massiva bendefekter: underlättas penetration i mallen (aktiv rekrytering), jämn fördelning över hela mallen (bevarande), snabbare spridning och hög lönsamhet (bostad). Slutligen, den efterföljande bildningen av betydande extra cellulära matrisen och utlösning av genuttryck är avgörande i viktiga biologiska processer såsom snabb vaskularisering ennd osteogenes. Många olika typer av syntetiska substitut har föreslagits för att ersätta auto- / fördelningen bentransplantat. Men den nuvarande ställningen organisationen inte uppvisar en intern mikro innehåller mikrokanaler och nanoporer, och därför inte aktivt underlätta cellinfiltration, distribution och inhabitance djupt in i syntetiska substitut som är större än 10 mm. De ger inte fysiska ledtrådar för banbrytande celler för att effektivt, snabbt och jämnt migrera djupt i mallen benet. Istället den begränsade passiv rekrytering av celler skapas ett ojämnt fördelade cellpopulationer mellan de yttre och inre områden av byggnadsställningen. Detta förvärrar inte bara den initiala utmaningen av cellerna når den inre kärnan av mallen, utan även hindrar näringsflöde och cellkommunikation med den andra änden av den syntetiska substitut. Denna typ av oproportionerliga cell rekrytering och inhabitation resulterar i cell death och ofullständig bentillväxt efter ställningen har implanterats i kroppen 14,15. Därför har vi infört begreppet kapillärverkan som den primära fysiska kö för att ta itu med dessa hinder. Vi har omsorgsfullt konstruerade mikrokanaler i BMT att inducera kapillärverkan som kommer att stå för den primära släpkraften på ett ansvarsfullt sätt för att aktivt rekrytera celler djupt i BMT. PU svamp beläggningsteknik presenterar flera unika egenskaper. För det första gör det möjligt för en enkel framställning av välkontrollerade porösa trabekulära strukturer, som själva är beroende av fördefinierade mallar strukturer (dvs 80 porer per tum mall för 300-400 um). Detta är mycket viktigt för att optimera porstorlek för osteoblast infiltrering 15. För det andra, möjliggör byggandet av sammankopplade mikrokanaler, som står för den viktiga roll för att initiera cell omlokalisering 11 tekniken. För det tredje, det finns nästan inga begränsningar när du använder PU svamp när det gäller att skapa egna former och storlekar bland mallarna. Tillverkaren kan använda en sax för enkla former eller ens beräknade laserskärning för komplexa geometrier. Med hjälp av dessa precist kontrollerade teknik, skapade vi BMT. HA valdes som utgångsmaterial på grund av dess biokompatibilitet och osteokonduktiv kapacitet 17. I denna studie, det finns flera viktiga steg som måste lyftas fram. Under framställningen HA slammet, om temperaturen är för hög och omrörningshastigheten är för låg, kommer HA slammet fastna vid nedre kanter bägaren och torka upp. Efter beläggningsprocessen när blåser ut överflödigt HA uppslamningen, kan alltför hög av ett lufttryck inducerar sprickor på ytan av BMT. Det är viktigt att hålla lufttrycket relativt lågt att korrekt luft ut överskottet HA slammet endast. Slutligen, den andra och tredje steg i sintringsprocessenär mest avgörande (Heat 1 ° C / min tills 280 ° C och värme 0,5 ° C / min tills 400 ° C). I detta temperaturintervall, kommer PU svampen helt bränna ut medan HA blir tät. Om detta protokoll inte tätt följt kommer BMT fällas ihop eller rasat efter sintring. BMT som beskrivs i denna studie ger flera fördelar. Först, de sammankopplade makroporer (300-400 um) efterlikna de av humant trabekulärt ben och möjliggör smidig benmärgs flöde. För det andra är de mallar som består av mikrokanaler (25 till 50 ^ m) inom varje trabekulära septumet för att accelerera den inledande inträngning av benceller via kapillärverkan. Som demonstreras med användning av beräknings simulering 13, om mallen bara hade 300 um porer (primära porer) och inga mikro skulle kapillärverkan vara otillräcklig för full mättnad av mallen med benmärgen. Detta skulle framför allt hålla sant för stora brister som skulle kräva large storlek mallar. Mikrometerstora kanaler uppvisar mycket effektiv fluidabsorption, och därmed förväntas vi mikrokanalerna vara primärt ansvarig för kapillärverkan i vår studie. För det tredje har våra BMTS strategiskt placerade nanoporer. Data från litteraturen tyder på att celler är speciellt känsliga för nanomönster 18,19; därför förväntade vi nanoporer på väggarna i mikrokanalerna för att spela en roll för att öka cellvidhäftning. Nanostorlek porer (100-400 nm) på ytan av det trabekulära septa tillåtet immobiliserade celler att förankra. Totalt sett de kombinerade effekterna av dessa tre interna strukturer gav förbättrad cellmobilisering och vidhäftning i hela mallen. Det finns dock vissa begränsningar i protokollet och de kritiska steg att tillverka den perfekta BMT. Exempelvis finns det ofta en stor mängd av HA uppslamning framställd på grund av svårigheten att hålla en homogen viskositet medan beläggning. Det finns också en begränsning i att göramallar som är större än 5 cm 3 i volym på grund av arbetstiden medan beläggning. Beläggningstjockleken är kritisk som varierar beroende på maker tekniker. Resultaten av vår studie tyder på att BMT förmåga att absorbera och kvarhålla celler kommer att erbjuda potentiella fördelar jämfört med konventionell alloplastisk (eller syntetisk) ställningar. En prospektiv studie övervägs för att kontrollera fördelarna med BMT på osteogenes och / eller angiogenes tillsammans med benrelaterade tillväxtfaktorer. Därför hävdar vi att vår unika skiss BMT byggnadsställning kan ta itu med de största hindren för otillräcklig benmärgsinfiltration i de syntetiska konstruktioner och ofullständig benåterbyggnad i stora defekter. Det yttersta målet med denna studie är att förenkla den nuvarande paradigm för bioteknik i benrekonstruktion och funktionell restaurering i kritiskt stora bendefekter genom att eliminera behovet av tids- / arbetsintensiva benmärgstromaL-celler isolerings- och expansionsprocesser. Slutligen vill vi utnyttja anatomiskt överensstämmande 3D-konstruktioner med mikrokanaler och nanoporer, som inducerar snabb cell absorption, homogen fördelning och inhabitance för återuppbyggnad av ben.

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 &#181;m 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>polyurethan sponge</td>
			<td>Plastifoam</td>
			<td>PU-3215</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">167176</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydroxyapatite Powder</td>
			<td>Ossgen</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyvinyl Alcoho</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">341584</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carboxymethyl cellulose sodium salt</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td align="right">360384</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ammonium polyacrylate</td>
			<td>Vanderbilt</td>
			<td>DARVAN 821A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerin</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G2289</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

distinctive capillary action by micro-channels in bone-like templates can enhance recruitment of cells for restoration of large bony defect

Utan en aktiv, blomstrande cellpopulation som är väl fördelade och stabilt förankrad i den insatta mallen, inte exceptionell benuppbyggnad förekommer inte. Med konventionella mallar, avsaknad av interna mikrokanaler resulterar i brist på cellinfiltration, distribution och inhabitance djupt inne mallarna. Därför en mycket porös och likformigt sammankopplade trabekulärt-benliknande mall med mikrokanaler (biogena mikro mall, BMT) har utvecklats för att ta itu med dessa hinder. Romanen BMT skapades av innovativa koncept (kapillärkraften) och tillverkas med en svamp-mall beläggningsteknik. BMT består av flera strukturella komponenter: sammankopplade primära porer (300-400 um) som efterliknar porer i trabekulärt ben, mikrokanaler (25-70 pm) inom varje trabekeln och nanoporer (100-400 nm) på yta för att tillåta cellerna att förankra. Dessutom har BMT dokumenterats genom mekanisk provning studie för att ha simnande mekaniska styrkeegenskaper till dem av humant trabekulärt ben (~ 3,8 MPa) 12. BMT uppvisade hög absorption, behålla och boning av celler under bron formade (ti) mallar (3 cm höjd och 4 cm längd). Cellerna som tidigare varit ympades i en ände av mallarna omedelbart mobiliserade till den andra änden (10 cm avstånd) genom kapillärverkan av BMT på cellmedia. Efter 4 timmar, cellerna homogent ockuperade hela BMT och uppvisade normal cellbeteende. Kapillärverkan stod för infiltration av celler suspenderade i media och distribution (aktiv migration) hela BMT. Efter att ha observerat dessa funktionerna i BMT, projicerar vi att BMTS absorberar benmärgsceller, tillväxtfaktorer och näringsämnen från periferin under fysiologiska betingelser. BMT kan lösa de nuvarande begränsningarna via snabb infiltration, homogen fördelning och inhabitaiou av celler i stora volym mallar för att reparera massiva skelettskador.

Den övergripande strukturen av BMT uppvisar en unik tre-dimensionell mall med trabekulära benliknande inre strukturer. BMT innehåller makro porer, mikrokanaler och nanoporer. Tydliga konfigurationer av helt sammanlänkade makroporer (medelstorlek av 320 | im), mikrokanaler (genomsnittlig diameter av 50 | im), och nanoporer (medelstorlek av 100 nm) verifierades med ett svepelektronmikroskop (EVO-40; ZEISS) samt genom mikro tomografi. Figur 1 visar steg detaljerade protokoll för att skapa en BMT. Genom noggrann kontroll av protokollen från framställningen av PU svampar till sintringsprocessen (P1 - P7, Figur 1), kan följande funktioner uppnås: en mycket tät och jämn yta efter HA beläggning och torkning; en exakt formad och dimensionerad 3-D-templat; ett sammanhängande poröst trabekulärt nätverk liknande den i trabekulärt ben; och mikrokanaler within varje trabekeln som efterliknar inom bendefekter kanaler såsom Havers kanaler och Volkmann s kanaler (figurerna 2 &amp; 3). Vidare relativt hög mekanisk styrka (~ 3,8 MPa) liknande den hos humant trabekulärt ben mättes med en tryckhållfasthet test. Mycket liknande histomorfometriska parametrar med de av mänsklig ländkotan trabekulärt ben bekräftades genom mikro CT-analys 12. Olika storheter av kapillärkraften demonstrerades genom olika kapillära diametrar i figur 4 med hjälp av beräknings simulering. Genom dessa simuleringar, planerade vi att BMT skulle uppvisa varierande utnyttjandegrad inom de primära porer (300-400 um) och mikrokanaler (25-70 pm) baserade på diametrarna. Mindre kapillärer uppvisade starkare absorptionsförmågan. Detta antagande verifierades i detta experiment såsom visas i fig 5. BMT uppvisade mycket effektivvätskeabsorption och kvarhållning genom kapillärverkan av de mikrokanalstrukturer; Stevenel s blånad användes som det flytande mediet att enkelt spåra flödet (Figur 5). Baserat på beräknings simulering, var BMT med dessa konfigurationer sett att absorbera och behålla cellsuspensioner upp till 8,5 cm i total avstånd inom 10 sekunder. På grund av en stark kapillärverkan som induceras av de interna strukturerna, nådde färgade mediet den motsatta änden av en 3 cm (höjd) x 4 cm (längd) x 1 cm (bredd) bro-formad mall inom en min och 40 sek. Vidare aktiv cellmobilisering och inkorporering i BMT iakttas (figur 6). Därefter den homogena cellmobilisering och fastsättning gav förbättrad spridning och matrisbildning i en jämnt fördelad bildning. Dessutom har långväga (~ 10 cm) migrering av celler genom BMT valideras omedelbart efter BMT mättades med cellsuspensionen. Se<html> EDED celler överlevde i mallen segment som exponerades för luften och inte nedsänkt i odlingsmediet. I detta experiment var odlingsmediet tillhandahålls till cellerna genom uteslutande i brunnarna vidrör endast benen på ställningen. Den kapillärverkan som uppvisas av mikrokanalerna fick sedan för färskt medium för att nå toppen, bryggpartiet av byggnadsställningen. Efter 3 dagars odling blev mallen upptagen med snabbt prolifererande celler. Efter 7 dagars odling, var varje trabekeln omges av extracellulära matriser och inbäddade med celler 13. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig1.jpg" /> Figur 1. Den totala benliknande mall tillverkning protokoll från förbehandling av PU svamp (P1) till den slutliga värmebehandlingen (P7). Att hålla exakt sintringsprofil efter P7 är avgörande för att uppnå gynnsam mekanisk hållfasthet.f = &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig1large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Klicka här för att se en större version av denna siffra. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig2.jpg" /> . Figur 2 Representant stereomikroskop (AmScope, SM-2TZ-M) bilder (x4) i en 80 ppi storlek PU svamp (till vänster), HA belagda och torkade BMT (mitten), och sintrade BMT (höger) (Dimension: 3. cm i höjd x 4 cm i längd x 1 cm i bredd). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig2large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig3.jpg" /> Figur 3. SEM och mikro-CT-bilder av en biogena mall: (A) en övergripande bild av en biogena mall, <st<html> Rong&gt; (B, C, D) bilder för mikrokanaler. För att lyfta fram tydliga mikrokanaler i trabeculae, mallen granulerades. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig4.jpg" /> . Figur 4. Beräknings beräkning av kapillärverkan med olika kanaldiametrar Inom samma tidsperiod (0,4 ms), medan den största kapillär (d = 300 fim: hänvisar till primär-por) absorberade mediet (blå) upp till 0,16 mm i höjd, den minsta kapillär (d = 30 pm: hänvisar till mikro-kanal) absorberade mediet upp till 0,415 mm i höjd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> nt &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig5.jpg" /> Figur 5. Bilder visade skillnader i absorption kapacitet kapillärverkan som grundar sig på olika storlekar av primära-porer och mikrokanalerna (primär porstorlek hänvisar till medeldiameter: 60 ppi ≈ 470 um, 80 ppi ≈ 320 pm, 100 ppi ≈ 200 | j, m). De gula linjerna representerar kapillärverkan som induceras av kombinationen av primära porer och mikrokanaler. De röda linjerna representerar kapillärverkan induceras av främst mikrokanaler utställda i varje trabekeln. Såsom visas i (F), varvid 100 ppi mallen inducerade den starkaste kapillärverkan, vilket resulterar i fullständig mättnad av mall inom 39 sek. De 80 ppi och 60 ppi mallar testades därefter. (B) 0 sekund, (C) 0,5 sekund, (D) 1,5 sekund, (E) 17,0 sek, (F) 39,0 sek, (G) 50,0 sek, och (H) en minut 18 sekunder efter nedsänkning. (Mall dimension: 1cm x 1 cm x 4 cm i höjd kubiskt). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52947/52947fig6.jpg" /> Figur 6. inträngande och invandring av celler från de sådda brunnar (del I) till unseeded brunnar (del V) genom biogena mallar induceras av kapillärkraften. De ursprungliga sådda celler nått slutet av oympade benet (del V) omedelbart efter full mättnad. Efter 3 dagar var sammanflödet av celler uppenbart genom hela mallen. Efter 7 dagar, inträffade spatiotemporal kollagenmatrisbildning inom de cellpopulationer (H &amp; E-färgning). (Mall dimension: 3 cm i höjd x 4 cm i längd x 1 cm i bredd). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52947/52947fig6large.jpg" target="_blank">Vänligen cl</a>ick här för att se en större version av denna siffra.

Watch this Scientific Journal Video about Distinctive Capillary Action by Micro-channels in Bone-like Templates can Enhance Recruitment of Cells for Restoration of Large Bony Defect at JoVE.com

Distinctive Capillary Action by Micro-channels in Bone-like Templates can Enhance Recruitment of Cells for Restoration of Large Bony Defect

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.

Distinkt kapillärverkan från Micro-kanaler i benliknande mallar kan förbättra Rekrytering av celler för Restaurering av stora Bony Defect

Without an active, thriving cell population that is well-distributed and stably anchored to the inserted template, exceptional bone regeneration does not ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Optical Mapping of Action Potentials and Calcium Transients in the Mouse Heart

Optisk Kartläggning av aktionspotentialer och transienter Kalcium i musen hjärta

The mouse heart is a popular model for cardiovascular studies due to the existence of low cost technology for genetic engineering in this species. ...

Capillary Force Lithography for Cardiac Tissue Engineering

Kapillärkraften Litografi för Cardiac Tissue Engineering

Cardiovascular disease remains the leading cause of death worldwide1. Cardiac tissue engineering holds much promise to deliver groundbreaking medical ...

Transplantation of Induced Pluripotent Stem Cell-derived Mesoangioblast-like Myogenic Progenitors in Mouse Models of Muscle Regeneration

Transplantation av inducerad Pluripotent Stamcell-härledd Mesoangioblast-liknande Myogena föregångare i musmodeller av muskelregenerering

Patient-derived iPSCs could be an invaluable source of cells for future autologous cell therapy protocols. iPSC-derived myogenic stem/progenitor cells ...

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

A Full Skin Defect Model to Evaluate Vascularization of Biomaterials In Vivo

En Full Skin Defect modell för att utvärdera Vaskularisering av biomaterial<em&gt; In Vivo</em

Insufficient vascularization is considered to be one of the main factors limiting the clinical success of tissue-engineered constructs. In order to ...

Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism

Kvantifiering av Global diastoliska funktionen av kinematisk modellering baserad Analys av Transmitral Flow via Parametrized diastoliska Filling Formalism

Quantitative cardiac function assessment remains a challenge for physiologists and clinicians.&#160;Although historically invasive methods have comprised ...

Nutrient Regulation by Continuous Feeding for Large-scale Expansion of Mammalian Cells in Spheroids

Närings förordning genom kontinuerlig matning för storskalig utbyggnad av däggdjursceller i sfäroider

In this demonstration, spheroids formed from the &#946;-TC6 insulinoma cell line were cultured as a model of manufacturing a mammalian islet cell product ...

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair

Visualisera angiogenes av Multiphoton mikroskopi In Vivo i genetiskt modifierade 3D-PLGA/nHAp byggnadsställning för Calvarial kritiska ben defekt reparation

The reconstruction of critically sized bone defects remains a serious clinical problem because of poor angiogenesis within tissue-engineered scaffolds ...

Visual Detection of Multiple Nucleic Acids in a Capillary Array

Visuell identifiering av flera Nucleic syror i en kapillär matris

Multi-target, short time, and resource-affordable methodologies for the detection of multiple nucleic acids in a single, easy to operate test are urgently ...

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) Assays

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate LAL Assays

Påvisande av Endotoxin i Nano-formuleringar använder Limulus immobiliserat Lysate (LAL) analyser

When present in pharmaceutical products, a Gram-negative bacterial cell wall component endotoxin (often also called lipopolysaccharide) can cause ...

Simultaneous Electrical and Mechanical Stimulation to Enhance Cells' Cardiomyogenic Potential

Samtidiga elektrisk och mekanisk stimulering att öka cellernas Cardiomyogenic Potential

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated ...