ポリウレタン/ポリ(2-ヒドロキシエチルメタクリレート)/セルロースナノウィスカー足場の半貫通型ポリマーネットワークを用いたhMSCの骨形成分化の研究

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Int. J. Biol. Macromol..2019 Oct;138:262-271. S0141-8130(19)32751-5. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2019.07.080.Epub 2019-07-11.

ポリウレタン/ポリ(2-ヒドロキシエチルメタクリレート)/セルロースナノウィスカー足場の半貫通型ポリマーネットワークを用いたhMSCの骨形成分化の研究

Osteogenic differentiation of hMSCs on semi-interpenetrating polymer networks of polyurethane/poly(2‑hydroxyethyl methacrylate)/cellulose nanowhisker scaffolds.

Mohsen Shahrousvand
Marzieh Ghollasi
Ali Akbar Karimi Zarchi
Ali Salimi

PMID: 31302125 DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2019.07.080.

抄録

ポリ（２-ヒドロキシエチルメタクリレート）（ＰＨＥＭＡ）を、生体適合性および生分解性のあるポリ（カプロラクトン）（ＰＣＬ）ベースのポリウレタン（ＰＵ）およびセルロースナノウィスカー（ＣＮＷ）の存在下で架橋した。CNWは古紙から得た。PHEMA(10wt%)を架橋するために、PHEMAとヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)の縮合反応により、新規なアクリル-ウレタン架橋剤を製造した。PU-PHEMA-CNWs足場は、溶媒キャスト/粒子浸出法により、CNWsの異なる重量％(すなわち、0, 0.1, 0.5, 1wt%)で調製した。バイオナノコンポジットの構造的、機械的特性およびin vitro生物学的特性をFTIR, SEM, 引張およびMTTアッセイで評価した。PU-PHEMA-0, PU-PHEMA-0.1, PU-PHEMA-0.5, PU-PHEMA-1の引張強度はそれぞれ76.2, 95.8, 98.1, 89.8kPaであった。また、CNWを組み込むことにより、PU-PHEMA-CNWs足場上での細胞増殖が改善された。その結果、PU-PHEMA-CNWs足場上では、ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を播種し、骨形成培地中で培養した。その結果、PU-PHEMA-CNW足場は、カルシウム含量測定、アルカリホスファターゼ測定、ミネラル化染色などの結果から、細胞ニッチの挙動を模倣するのに適した足場として導入された。その結果、PU-PHEMA-CNW足場上のhMSCは14日後に対照と比較して有意に骨量が増加し、骨形成分化が促進された。

Poly (2‑hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) was crosslinked in the presence of biocompatible and biodegradable poly(caprolactone) (PCL) based polyurethanes (PUs) and cellulose nanowhiskers (CNWs). The CNWs were obtained from wastepaper. In order to crosslink PHEMA (10 wt%), a novel acrylic-urethane cross-linker was produced by a condensation reaction of PHEMA and hexamethylene diisocyanate (HDI). The PU-PHEMA-CNWs scaffolds were prepared by solvent casting/particulate leaching method in different weight percentages of CNWs (i.e., 0, 0.1, 0.5, and 1 wt%). The structural, mechanical, and in vitro biological properties of bio-nanocomposites were evaluated via FTIR, SEM, tensile, and MTT assay. The tensile strength of PU-PHEMA-0, PU-PHEMA-0.1, PU-PHEMA-0.5, and PU-PHEMA-1 were 76.2, 95.8, 98.1, and 89.8 kPa, respectively. Incorporation of CNWs also resulted in improved cell proliferation on PU-PHEMA-CNWs scaffolds. The bone marrow derived human mesenchymal stem cells (hMSCs) were seeded on the prepared porous scaffolds and incubated in osteogenic medium. Based on the results including calcium content assay, alkaline phosphatase assay, and mineralization staining, PU-PHEMA-CNW scaffolds were introduced as a suitable election for imitating the behavior of cellular niche. Bone mineralization and osteogenesis differentiation of hMSCs on PU-PHEMA-CNW scaffolds were significantly more than control after 14 days.