Novel porous composite ceramic bone scaffolds composed of biodegradable PHBV(polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) and TA(toothapatite) have been fabricated for bone tissue engineering by a modified solvent casting and particulate leach-ing method with salt-contained heat compression technique. The results of this study suggest that the PHBV-TA composite scaffold, especially the scaffold containing 30 weight$\%$ of TA may be a good candidate far bone tissue engineering of non-load bearing area in oral and maxillofacial region.
This paper presents a novel structural composition for artificial bone scaffolds with an appropriate biocompatibility and biodegradability capability. To achieve this aim, carbon nanotubes, due to their prominent mechanical properties, high biocompatibility with the body and its structural similarities with the natural bone structure are selected in component of the artificial bone structure. Also, according to the piezoelectric properties of natural bone tissue, the barium titanate, which is one of the biocompatible material with body and has piezoelectric property, is used to create self-healing ability. Furthermore, due to the fact that, most of the bone tissue is consists of hydroxyapatite, this material is also added to the artificial bone structure. Finally, polycaprolactone is used in synthetic bone composition as a proper substrate for bone growth and repair. To demonstrate, performance of the presented composition, the mechanical behaviour of the bone scaffold is simulated using ANSYS Workbench software and three dimensional finite element modelling. The obtained results are compared with mechanical behaviour of the natural bone and the previous bone scaffold compositions. The results indicated that, the modulus of elasticity, strength and toughness of the proposed composition of bone scaffold is very close to the natural bone behaviour with respect to the previous bone scaffold compositions and this composition can be employed as an appropriate replacement for bone implants.
Drug releasing porous poly($\varepsilon$-caprolactone) (PCL)-chitosan matrices were fabricated for bone regenerative therapy. Porous matrices made of biodegradable polymers have been playing a crucial role as bone substitutes and as tissue-engineered scaffolds in bone regenerative therapy. The matrices provided mechanical support for the developing tissue and enhanced tissue formation by releasing active agent in controlled manner. Chitosan was employed to enhance hydrophilicity and biocompatibility of the PCL matrices. PDGF-BB was incorporated into PCL-chitosan matrices to induce enhanced bone regeneration efficacy. PCL-chitosan matrices retained a porous structure with a 100-200 $\mu$m pore diameter that was suitable for cellular migration and osteoid ingrowth. $NaHCO_3$ as a porogen was incorporated 5% ratio to polymer weight to form highly porous scaffolds. PDGF-BB was released from PCL-chitosan matrices maintaining therapeutic concentration for 4 week. High osteoblasts attachment level and proliferation was observed from PCL-chitosan matrices. Scanning electron microscopic examination indicated that cultured osteoblasts showed round form and spread pseudopods after 1 day and showed broad cytoplasmic extension after 14 days. PCL-chitosan matrices promoted bone regeneration and PDGF-BB loaded matrices obtained enhanced bone formation in rat calvarial defect. These results suggested that the PDGF-BB releasing PCL-chitosan porous matrices may be potentially used as tissue engineering scaffolds or bone substitutes with high bone regenerative efficacy.
Kim, Tae-Rim;Yoon, Seog-Young;Heo, Jin-Young;Lee, Chi-Seung
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.27
no.5
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pp.235-242
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2017
In order to prepare porous scaffolds capable of pore control, PMMA powder serving as a pore-forming agent was added to HA powder to synthesize a slurry containing TBA as a solvent. And then, porous HA scaffolds where pillarshaped pore channels interconnected with each other were fabricated by freeze-casting and sintering. The crystal structure of the HA scaffolds according to the addition amount of PMMA powder was measured by XRD and the surface and inner cross section of the scaffolds were analyzed through SEM. It was found that removal of PMMA during sintering affects the internal structure of the scaffolds and the crystallinity of the HA powder. Furthermore, through evaluating the physical and mechanical properties of the scaffolds, it was confirmed that the porosity, pore size and compressive strength can be controlled by controlling the addition amount of the pore-forming agent. It was also found that the HA scaffolds produced in this study were similar in structure and properties to the natural cancellous bone. This suggests that porous HA scaffolds with PMMA can be used as an alternative to autogenous bone for tissue engineering as an artificial bone scaffold.
Porous poly(e-caprolactone) (PCL) scaffolds were fabricated by salt leaching method. The PCL scaffolds were treated with aqueous NaOH for 0h, 2h, 4h, 8h, and 12h at $40^{\circ}C$. The NaOH-treated PCL scaffolds were dipped in $CaCl_2$ and $K_2HPO_4{\cdot}_3H_2O$ solution alternately three times to induce apatite nuclei onto the surface of the scaffolds. The NaOH-treated PCL scaffolds were immersed into SBF solution for 1day to grow the apatite. The apatite formation were investigated as a fuction of NaOH treatment time. The hydrophilicty and surface area of the PCL scaffolds were increased with NaOH-treatment time. The NaOH-treated PCL scaffolds were successfully formed a dense and uniform bone-like apatite layer after immersion for 1 day in SBF solution.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.17
no.1
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pp.108-115
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2018
In bone tissue engineering, polycaprolactone (PCL) is one of the most widely used biomaterials to manufacture scaffolds as a synthetic polymer with biodegradability and biocompatibility. The polymer deposition system (PDS) with four axis heads, which can dispense bio-polymers, has been used in scaffold fabrication for tissue engineering applications. A dual-head deposition technology of PDS is an effective technique to fabricate 3D scaffolds. The electrospinning technology has been widely used to fabricate porous and highly interconnected polymer fibers. Thus, PDS can fabricate nanofiber-combined hybrid scaffolds using fused deposition modeling (FDM) and electrospinning methods. This study aims to fabricate nanofiber-combined scaffolds with uniform nanofibers using PDS. The PCL nanofibers were fabricated and evaluated according to the fabrication process parameters. PCL nanofibers were successfully fabricated when the applied voltage, tip-to-collector distance, flow rate, and solution concentration were 5 kV, 1 cm, 0.1 ml/h, and 8 wt%, respectively. The cell proliferation was evaluated according to the electrospinning time. Scanning electron microscopy was used to acquire images of the cross-sectioned hybrid scaffolds. The cell proliferation test of the PCL and nanofiber-combined hybrid scaffolds was performed using a CCK-8 assay according to the electrospinning time. The result of in-vitro cell proliferation using osteosarcoma MG-63 cells shows that the hybrid scaffold has good potential for bone regeneration.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.15
no.5
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pp.86-92
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2016
In this study, we used a polymer deposition system, based on fused deposition modeling, to fabricate the 3D scaffold and then fabricated micro-pores on a 3D scaffold using a salt leaching method. Materials included polycaprolactone (PCL) and sodium chloride (NaCl). The 3D porous scaffolds were fabricated according to blending ratio such as PCL (70 wt%)/NaCl (30 wt%) and PCL (50 wt%)/NaCl (50 wt%). The 3D porous scaffolds were observed by scanning electron microscopy. The results showed that 3D porous scaffolds had a deposition width of $500{\mu}m$, contained a pore size of $500{\mu}m$ and below $100{\mu}m$. To evaluate the 3D porous scaffolds for bone tissue engineering, we carried out the cell proliferation experiment using a CCK-8 and a mechanical strength test using a universal testing machine. In summary, the 3D porous scaffold was found to be suitable for cancellous bone of human in accordance with the result of in-vitro cell proliferation and mechanical strength. Thus, a 3D porous scaffold could be a promising approach for effective bone regeneration.
Rotator cuff tear is often cited as a reason for shoulder pain and dysfunction in patients > 40 years of age. Surgical repair of rotator cuff tear is one of the most commonly performed orthopedic surgical procedures. Until now, the success rate of surgical repair for rotator cuff tear has not been satisfactory. Many factors influence the process of rotator cuff repair such as the presence of tendinosis and fatty infiltration, but the main factor is the difficulty in achieving healing at the tendon to bone interface. There is a clinical need for bioengineering approaches to promote regeneration of the native enthesis and reduce the poor outcomes after surgical repair. Toward this end, the design and fabrication of multiphasic or hierarchically structured scaffolds have received great attention. This manuscript deals with information on the tendon to bone interface and tries to find out why a multiphasic scaffold is necessary to reproduce it and considerations that need to be taken into to make an ideal scaffold.
Bencherif, Sidi A.;Braschler, Thomas M.;Renaud, Philippe
Journal of Periodontal and Implant Science
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v.43
no.6
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pp.251-261
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2013
A paradigm shift is taking place in medicine and dentistry from using synthetic implants and tissue grafts to a tissue engineering approach that uses degradable porous three-dimensional (3D) material hydrogels integrated with cells and bioactive factors to regenerate tissues such as dental bone and other oral tissues. Hydrogels have been established as a biomaterial of choice for many years, as they offer diverse properties that make them ideal in regenerative medicine, including dental applications. Being highly biocompatible and similar to native extracellular matrix, hydrogels have emerged as ideal candidates in the design of 3D scaffolds for tissue regeneration and drug delivery applications. However, precise control over hydrogel properties, such as porosity, pore size, and pore interconnectivity, remains a challenge. Traditional techniques for creating conventional crosslinked polymers have demonstrated limited success in the formation of hydrogels with large pore size, thus limiting cellular infiltration, tissue ingrowth, vascularization, and matrix mineralization (in the case of bone) of tissue-engineered constructs. Emerging technologies have demonstrated the ability to control microarchitectural features in hydrogels such as the creation of large pore size, porosity, and pore interconnectivity, thus allowing the creation of engineered hydrogel scaffolds with a structure and function closely mimicking native tissues. In this review, we explore the various technologies available for the preparation of macroporous scaffolds and their potential applications.
Tissue engineering scaffolds play a critical role in regulating the reconstructed human tissue development. Various types of scaffolds have been developed in recent years, including fibrous matrix and foam-like scaffolds. The design of scaffold materials has been investigated extensively. However, the design of physical structure of the scaffold, especially fibrous matrices, has not received much attention. This paper compares the different characteristics of fibrous and foam-like scaffolds, and reviews regulatory roles of important scaffold properties, including surface geometry, scaffold configuration, pore structure, mechanical property and bioactivity. Tissue regeneration, cell organization, proliferation and differentiation under different microstructures were evaluated. The importance of proper scaffold selection and design is further discussed with the examples of bone tissue engineering and stem cell tissue engineering. This review addresses the importance of scaffold microstructure and provides insights in designing appropriate scaffold structure for different applications of tissue engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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