Biodegradable shape memory polymer: Surface crystal effect on osteochondral regeneration

Abstract

In tissue engineering and regenerative medicine, there is a growing demand for innovative strategies that can address the complex and dynamic needs of repairing both bone and cartilage tissues. To mimic environment of osteogenesis and chondrogenesis, crystallinity of polymer surface that cells are attached is important because it regulates interactions between cells and surfaces. For controlling interactions, Shape Memory Polymer (SMP) and thiol-functionalized hydroxyapatite nanoparticles (HANPs) are conjugated and crystalline structures of HANPs act as nucleation agents and stimulate aggregation of crystal (“crystal-packing”) around the HANPs particles. As the crystal growing, cell-cell interactions are hindered, simultaneously, cell-surface interactions are enhanced for osteogenesis, in contrast, SMP surface induces cell-cell interactions for chondrogenesis relatively. And HANPs conjugated SMP (H-SMP) exhibits increased biodegradability compared to SMP. The enhanced biodegradability of H-SMP is suitable for bone regeneration speed, whereas the relatively slower degradation of SMP is suitable for cartilage regeneration speed. As a result, biodegradable SMP and H-SMP gradient 3D porous scaffolds appears concurrent regeneration of bone and cartilage on rat’s osteochondral defect model.

조직 공학 및 재생 의학 분야에서는 뼈와 연골 조직을 모두 복구하는 복잡하고 역동적인 요구를 해결할 수 있는 혁신적인 전략에 대한 요구가 증가하고 있다. 골재생 및 연골재생 환경을 모방하기 위해 세포가 부착되는 고분자 표면의 결정성은 세포와 표면 사이의 상호 작용을 조절하기 때문에 중요하다. 상호 작용을 제어하기 위해 형상기억 고분자(SMP)와 thiol 반응기 기능화 하이드록시아파타이트 나노입자(HANP)는 결합되고 HANP의 결정 구조는 핵생성제로 작용하며 HANP 입자 주위의 결정의 응집을 자극한다. 결정이 성장함에 따라 세포 간의 상호 작용이 방해받으며 동시에 세포와 표면 간의 상호 작용이 골재생을 위해 강화되는 반면 대조적으로 SMP 표면은 연골생성을 위해 상대적으로 세포-세포 상호 작용을 유도한다. 그리고 HANP 결합 SMP (H-SMP)는 SMP에 비해 증가된 생분해성을 나타낸다. H-SMP의 향상된 생분해성은 뼈 재생 속도에 적합한 반면 SMP의 상대적으로 느린 분해는 연골 재생 속도에 적합하다. 결과적으로 생분해성 SMP 및 H-SMP 구배 3D 다공성 지지체는 쥐의 골연골 결손 모델에서 뼈와 연골의 동시 재생을 나타낸다.