Binary phase solid-state photopolymerization of acrylates: design, characterization and biomineralization of 3D scaffolds for tissue engineering

Abstract

Porous polymer scaffolds designed by the cryogel method are attractive materials for a range of tissue engineering applications. However, the use of toxic cross-linker for retaining the pore structure limits their clinical applications. In this research, acrylates (HEA/PEGDA, HEMA/PEGDA and PEGDA) were used in the low-temperature solid-state photopolymerization to produce porous scaffolds with good structural retention. The morphology, pore diameter, mineral deposition and water absorption of the scaffold were characterized by SEM and water absorption test respectively. Elemental analysis and cytotoxicity of the biomineralized scaffold were revealed by using XRD and MTT assay test. The PEGDA-derived scaffold showed good water absorption ability and a higher degree of porosity with larger pore size compared to others. XRD patterns and IR results confirmed the formation of hydroxyapatite crystals from an alternative socking process. The overall cell proliferation was excellent, where PEGDA-derived scaffold had the highest and the most uniform cell growth, while HEMA/PEGDA scaffold showed the least. These results suggest that the cell proliferation and adhesion are directly proportional to the pore size, the shape and the porosity of scaffolds.

Keywords

binary phase solid-state photopolymerization / phase separation / tissue engineering / biomineralization / MTT

References

[1] Nunes-Pereira J, Ribeiro  S, Ribeiro C , . Poly (vinylidene fluoride) and copolymers as porous membranes for tissue engineering applications. Polymer Testing, 2015, 44: 234–241

[2] Li X M, Cui  R R, Sun  L W, . 3D-printed biopolymers for tissue engineering application. International Journal of Polymer Science, 2014, 2014: 1–13

[3] Chen G, Sato  T, Ushida T , . Tissue engineering of cartilage using a hybrid scaffold of synthetic polymer and collagen. Tissue Engineering, 2004, 10(3‒4): 323–330

[4] Kutlusoy T, Oktay  B, Apohan N K , . Chitosan-co-hyaluronic acid porous cryogels and their application in tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules, 2017, 103: 366–378

[5] Gomes M E, Reis  R L. Tissue engineering: key elements and some trends. Macromolecular Bioscience, 2004, 4(8): 737–742

[6] Dhandayuthapani B, Yoshida  Y, Maekawa T , . Polymeric scaffolds in tissue engineering application: a review. International Journal of Polymer Science, 2011, 609–618

[7] Martin I, Obradovic  B, Treppo S , . Modulation of the mechanical properties of tissue engineered cartilage. Biorheology, 2000, 37(1‒2): 141–147

[8] Bohner M, van Lenthe  G H, Grünenfelder  S, . Synthesis and characterization of porous β-tricalcium phosphate blocks. Biomaterials, 2005, 26(31): 6099–6105

[9] Bose S, Vahabzadeh  S, Bandyopadhyay A . Bone tissue engineering using 3D printing. Materials Today, 2013, 16(12): 496–504

[10] Cao H, Kuboyama  N. A biodegradable porous composite scaffold of PGA/β-TCP for bone tissue engineering. Bone, 2010, 46(2): 386–395

[11] Kim H D, Bae  E H, Kwon  I C, . Effect of PEG-PLLA diblock copolymer on macroporous PLLA scaffolds by thermally induced phase separation. Biomaterials, 2004, 25(12): 2319–2329

[12] Li X, Liu  X, Dong W , . In vitro evaluation of porous poly(L-lactic acid) scaffold reinforced by chitin fibers. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2009, 90(2): 503–509

[13] Grey C P, Newton  S T, Bowlin  G L, . Gradient fiber electrospinning of layered scaffolds using controlled transitions in fiber diameter. Biomaterials, 2013, 34(21): 4993–5006

[14] Liu H, Nakagawa  K, Chaudhary D , . Freeze-dried macroporous foam prepared from chitosan/xanthan gum/montmorillonite nanocomposites. Chemical Engineering Research & Design, 2011, 89(11): 2356–2364

[15] Jain E, Srivastava  A, Kumar A . Macroporous interpenetrating cryogel network of poly(acrylonitrile) and gelatin for biomedical applications. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2009, 20(S1): S173–S179

[16] Sahiner N, Demirci  S. Conducting semi-interpenetrating polymeric composites via the preparation of poly(aniline), poly(thiophene), and poly(pyrrole) polymers within superporous poly(acrylic acid) cryogels. Reactive & Functional Polymers, 2016, 105: 60–65

[17] Plieva F M, Karlsson  M, Aguilar M R , . Pore structure in supermacroporous polyacrylamide based cryogels. Soft Matter, 2005, 1(4): 303–309

[18] Liu R, Xu  T, Wang C . A review of fabrication strategies and applications of porous ceramics prepared by freeze-casting method. Ceramics International, 2016, 42(2): 2907–2925

[19] Gutiérrez M C ,  Ferrer M L ,  del Monte F . Ice-templated materials: sophisticated structures exhibiting enhanced functionalities obtained after unidirectional freezing and ice-segregation-induced self-assembly. Chemistry of Materials, 2008, 20(3): 634–648

[20] Hennink W E, van Nostrum  C F. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Advanced Drug Delivery Reviews, 2012, 64(Supplement): 223–236

[21] Hoffman A S. Hydrogels for biomedical applications. Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54(1): 3–12

[22] Sachlos E, Czernuszka  J T. Making tissue engineering scaffolds work. Review: the application of solid freeform fabrication technology to the production of tissue engineering scaffolds. European Cells & Materials, 2003, 5(5): 29–40

[23] Lu T, Li  Y, Chen T . Techniques for fabrication and construction of three-dimensional scaffolds for tissue engineering. International Journal of Nanomedicine, 2013, 8: 337–350

[24] Tao Y, Zhang  R, Yang W , . Carboxymethylated hyperbranched polysaccharide: Synthesis, solution properties, and fabrication of hydrogel. Carbohydrate Polymers, 2015, 128: 179–187

[25] Henderson T M ,  Ladewig K ,  Haylock D N , . Cryogels for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B: Materials for Biology and Medicine, 2013, 1(21): 2682–2695

[26] Beauchamp R O ,  St Clair M B G ,  Fennell T R , . A critical review of the toxicology of glutaraldehyde. Critical Reviews in Toxicology, 1992, 22(3‒4): 143–174

[27] Plieva F M, Karlsson  M, Aguilar M R , . Pore structure of macroporous monolithic cryogels prepared from poly (vinyl alcohol). Journal of Applied Polymer Science, 2006, 100(2): 1057–1066

[28] Freed L E, Hollander  A P, Martin  I, . Chondrogenesis in a cell-polymer-bioreactor system. Experimental Cell Research, 1998, 240(1): 58–65

[29] Petricoin E F III,  Ardekani A M ,  Hitt B A , . Use of proteomic patterns in serum to identify ovarian cancer. Lancet, 2002, 359(9306): 572–577

[30] Burdick J A, Anseth  K S. Photoencapsulation of osteoblasts in injectable RGD-modified PEG hydrogels for bone tissue engineering. Biomaterials, 2002, 23(22): 4315–4323

[31] Liu Y, Chan-Park  M B. Hydrogel based on interpenetrating polymer networks of dextran and gelatin for vascular tissue engineering. Biomaterials, 2009, 30(2): 196–207

[32] Hwang Y, Sangaj  N, Varghese S . Interconnected macroporous poly(ethylene glycol) cryogels as a cell scaffold for cartilage tissue engineering. Tissue Engineering Part A, 2010, 16(10): 3033–3041

[33] Zhu J. Bioactive modification of poly(ethylene glycol) hydrogels for tissue engineering. Biomaterials, 2010, 31(17): 4639–4656

[34] Chung B G, Lee  K H, Khademhosseini  A, . Microfluidic fabrication of microengineered hydrogels and their application in tissue engineering. Lab on a Chip, 2012, 12(1): 45–59

[35] Zhu J, Marchant  R E. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds. Expert Review of Medical Devices, 2011, 8(5): 607–626

[36] Annabi N, Nichol  J W, Zhong  X, . Controlling the porosity and microarchitecture of hydrogels for tissue engineering. Tissue Engineering Part B: Reviews, 2010, 16(4): 371–383

[37] Van Vlierberghe S ,  Dubruel P ,  Schacht E . Biopolymer-based hydrogels as scaffolds for tissue engineering applications: a review. Biomacromolecules, 2011, 12(5): 1387–1408

[38] Ravichandran R, Venugopal  J R, Sundarrajan  S, . Precipitation of nanohydroxyapatite on PLLA/PBLG/collagen nanofibrous structures for the differentiation of adipose derived stem cells to osteogenic lineage. Biomaterials, 2012, 33(3): 846–855

[39] Omidian H, Park  K, Kandalam U , . Swelling and mechanical properties of modified HEMA-based superporous hydrogels. Journal of Bioactive and Compatible Polymers, 2010, 25(5): 483–497

[40] Ji L, Chang  W, Cui M , . Photopolymerization kinetics and volume shrinkage of 1, 6-hexanediol diacrylate at different temperature. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2013, 252: 216–221

[41] Chang W, Mu  X, Zhu X , . Biomimetic composite scaffolds based mineralization of hydroxyapatite on electrospun calcium-containing poly(vinyl alcohol) nanofibers. Materials Science and Engineering C, 2013, 33(7): 4369–4376

[42] Rodríguez K ,  Renneckar S ,  Gatenholm P . Biomimetic calcium phosphate crystal mineralization on electrospun cellulose-based scaffolds. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(3): 681–689

[43] Li J, Chen  Y, Yin Y , . Modulation of nano-hydroxyapatite size via formation on chitosan–gelatin network film in situ. Biomaterials, 2007, 28(5): 781–790

[44] Liu M, Dai  L, Shi H , . In vitro evaluation of alginate/halloysite nanotube composite scaffolds for tissue engineering. Materials Science and Engineering C, 2015, 49: 700–712

[45] Kang Z, Zhang  X, Chen Y , . Preparation of polymer/calcium phosphate porous composite as bone tissue scaffolds. Materials Science and Engineering C, 2017, 70(Pt 2): 1125–1131

[46] Zhu X, Loh  X J. Layer-by-layer assemblies for antibacterial applications. Biomaterials Science, 2015, 3(12): 1505–1518

[47] Dumont V C, Mansur  H S, Mansur  A A, . Glycol chitosan/nanohydroxyapatite biocomposites for potential bone tissue engineering and regenerative medicine. International Journal of Biological Macromolecules, 2016, 93(Pt B): 1465–1478

[48] Yang D, Zhang  J, Xue J , . Electrospinning of poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) nanofibers with feature surface microstructure. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 127(4): 2867–2874

[49] Jiang S, Poh  Y Z, Loh  X J. POSS-based hybrid cationic copolymers with low aggregation potential for efficient gene delivery. RSC Advances, 2015, 5(87): 71322–71328

[50] Kang Z, Zhang  X, Chen Y , . Preparation of polymer/calcium phosphate porous composite as bone tissue scaffolds. Materials Science and Engineering C, 2017, 70(Pt 2): 1125–1131

[51] Ma G, Yang  D, Wang K , . Organic-soluble chitosan/polyhydroxybutyrate ultrafine fibers as skin regeneration prepared by electrospinning. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 118(6): 3619–3624

[52] Boyan B D, Schwartz  Z. Regenerative medicine: Are calcium phosphate ceramics ‘smart’ biomaterials? Nature Reviews Rheumatology, 2011, 7(1): 8–9

[53] Porter J R, Ruckh  T T, Popat  K C. Bone tissue engineering: a review in bone biomimetics and drug delivery strategies. Biotechnology Progress, 2009, 25(6): 1539–1560

[54] Kretlow J D, Mikos  A G. Review: mineralization of synthetic polymer scaffolds for bone tissue engineering. Tissue Engineering, 2007, 13(5): 927–938

[55] Shor L, Güçeri  S, Wen X , . Fabrication of three-dimensional polycaprolactone/hydroxyapatite tissue scaffolds and osteoblast-scaffold interactions in vitro. Biomaterials, 2007, 28(35): 5291–5297

[56] He M, Wang  Z, Cao Y , . Construction of chitin/PVA composite hydrogels with jellyfish gel-like structure and their biocompatibility. Biomacromolecules, 2014, 15(9): 3358–3365

Disclosure of potential conflicts of interests

The authors declare no competing financial interest.

Acknowledgement

The authors are thankful to the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51573011) for financial support.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany