Apatite-Polymer Composites for the Controlled Dual Delivery of BMP-2 and BMP-6 for Bone Tissue Engineering

The release of growth factors from tissue engineering scaffolds provides signals that influence the migration, differentiation, and proliferation of cells. The incorporation of a drug delivery platform that is capable of tunable release will give tissue engineers greater versatility in the direction of tissue regeneration. We have prepared a novel composite of two biomaterials with proven track records - apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – as a drug delivery platform with promising controlled release properties. These composites have been tested in the delivery of a model protein, bovine serum albumin (BSA), as well as therapeutic proteins, recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) and rhBMP-6. The controlled release strategy is based on the use of a polymer with acidic degradation products to control the dissolution of the basic apatitic component, resulting in protein release. Therefore, any parameter that affects either polymer degradation or apatite dissolution can be used to control protein release. We have modified the protein release profile systematically by varying the polymer molecular weight, polymer hydrophobicity, apatite loading, apatite particle size, and other material and processing parameters. Biologically active rhBMP-2 was released from these composite microparticles over 100 days, in contrast to conventional collagen sponge carriers, which were depleted in approximately 2 weeks. The released rhBMP-2 was able to induce elevated alkaline phosphatase and osteocalcin expression in pluripotent murine embryonic fibroblasts. To augment tissue engineering scaffolds with tunable and sustained protein release capabilities, these composite microparticles can be dispersed in the scaffolds in different combinations to obtain a superposition of the release profiles. We have loaded rhBMP-2 into composite microparticles with a fast release profile, and rhBMP-6 into slow-releasing composite microparticles. An equi-mixture of these two sets of composite particles was then injected into a collagen sponge, allowing for dual release of the proteins from the collagenous scaffold. The ability of these BMP-loaded scaffolds to induce osteoblastic differentiation in vitro and ectopic bone formation in a rat model is being investigated. We anticipate that these apatite-polymer composite microparticles can be extended to the delivery of other signalling molecules, and can be incorporated into other types of tissue engineering scaffolds.

Apatite-Polymer Composite Particles for Controlled Delivery of BMP-2: In Vitro Release and Cellular Response

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has the ability to induce osteoblast differentiation of undifferentiated cells, resulting in the healing of skeletal defects when delivered with a suitable carrier. We have applied a versatile delivery platform comprising a novel composite of two biomaterials with proven track records – apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – to the delivery of BMP-2. Sustained release of this growth factor was tuned with variables that affect polymer degradation and/or apatite dissolution, such as polymer molecular weight, polymer composition, apatite loading, and apatite particle size. The effect of released BMP-2 on C3H10T1/2 murine pluripotent mesenchymal cells was assessed by tracking the expression of osteoblastic makers, alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin. Release media collected over 100 days induced elevated ALP activity in C3H10T1/2 cells. The expression of osteocalcin was also upregulated significantly. These results demonstrated the potential of apatite-PLGA composite particles for releasing protein in bioactive form over extended periods of time.

Modificació de fibres de jute per l'elaboració de plàstics reforçats reciclables

El treball que s'ha dut a terme es centra en la recerca d'agents modificants per a fibres cel·lulòsiques capaços de reduir la polaritat de les funcions alcohol de la seva estructura per formació de funcions ester. Les fibres de jute se sotmeten a reacció en un sistema tancat provist d'atmòsfera de nitrogen a fi d'evitar reaccions laterals que no són del nostre interés.L'obtenció dels resultats perseguits està lligat a les condicions experimentals aplicades durant les reaccions. La influència de les diferents variables escollides facilitarà en major o menor grau la reacció entre les molècules d'agent d'acoblament i cel·lulosa vinculades. Una gran part de l'atenció es centrarà en l'estudi de l'etapa de modificació, sobretot en l'efectivitat dels reactius addicionats per la reacció amb els grups hidroxil. Un cop comparats els experiments realitzats tant amb clorur d'oleïl com amb anhídrid metacrílic, es conclou que la majoria de condicions provades permeten assolir valors de modificació prou significatius. L'excepció ve donada quan la temperatura utilitzada és de 20ºC, llavors les mateixes condicions que a una temperatura de 60ºC condueixen cap a resultats poc satisfactoris. La reactivitat per part dels dos agents d'acoblament utilitzats no ha estat la mateixa. Els resultats per condicions experimentals del mateix tipus han conduït cap a valors força diferents. Pel que fa a la determinació dels paràmetres òptims es conclou que les variables amb les que el grau de modificació millora considerablement són: una temperatura de 60ºC, 10% de catalitzador respecte la quantitat de clorur d'oleïl o anhídrid addicionada, relació OH reactiu estequiomètrica 1:1 i 40mL de solvent. Un cop modificada la fibra, se sotmet a reacció amb el monòmer estirè. Es comprova que el grau de polimerització segueix el valor de modificació prèviament obtingut, a menor quantitat de funcions alcohol lliures major interacció amb el monòmer estirè. Les propietats inicials de la fibra no es corresponen amb les obtingudes després del tractament, l'increment de la resistència a l'atac de microorganismes i a l'absorció d'humitat s'explica per una reducció de la presència de funcions alcohol polars i per la capa d'estirè polimeritzat per unió amb els dobles enllaços introduïts amb els agents d'acoblament. Pel que fa referència a les dues tècniques de caracterització més utilitzades, l'anàlisis elemental permet quantificar d'una manera precisa la reacció de la fibra amb els agents d'acoblament i la posterior reacció de la fibra modificada amb el monòmer estirè. La caracterització per espectroscopia d'infraroig permet comprovar qualitativament la reactivitat del clorur d'oleïl i qualitativament-quantitativament la de l'anhídrid metacrílic amb les funcions alcohol de la cel·lulosa present en les fibres de jute. Els pics més característics apareguts seran utilitzats per avaluar la reactivitat de la funció carbonílica del reactiu modificant amb l'estructura cel·lulòsica i del doble enllaç de la cel·lulosa modificada amb la matriu polimèrica.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.

Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading

La aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados mediante fibras largas (FRP, Fiber Reinforced Plastic), está en gradual crecimiento debido a las buenas propiedades específicas y a la flexibilidad en el diseño. Uno de los mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicación de estos materiales tiene claros beneficios económicos y medioambientales. Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se inicia un programa de diseño donde se combinan ensayos reales y técnicas de análisis. El desarrollo de herramientas de análisis fiables que permiten comprender el comportamiento mecánico de la estructura, así como reemplazar muchos, pero no todos, los ensayos reales, es de claro interés. Susceptibilidad al daño debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los aspectos de más importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de diseño de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales. Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mecánico para analizar la resistencia a impacto de una estructura es de gran interés, pero aún más, la predicción de la resistencia residual después del impacto. En este sentido, el presente trabajo abarca un amplio rango de análisis de eventos de impacto a baja velocidad en placas laminadas de material compuesto, monolíticas, planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la predicción de la resistencia residual a compresión, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado análisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripción analítica del impacto, el diseño y la realización de un plan de ensayos experimentales, la formulación e implementación de modelos constitutivos para la descripción del comportamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.

Finite-stretching corrections to the Milner-Witten-Cates theory for polymer brushes

This paper investigates finite-stretching corrections to the classical Milner-Witten-Cates theory for semi-dilute polymer brushes in a good solvent. The dominant correction to the free energy originates from an entropic repulsion caused by the impenetrability of the grafting surface, which produces a depletion of segments extending a distance $\mu \propto L^{-1}$ from the substrate, where $L$ is the classical brush height. The next most important correction is associated with the translational entropy of the chain ends, which creates the well-known tail where a small population of chains extend beyond the classical brush height by a distance $\xi \propto L^{-1/3}$. The validity of these corrections is confirmed by quantitative comparison with numerical self-consistent field theory.

Significance of cross correlations in the stress relaxation of polymer melts

According to linear response theory, all relaxation functions in the linear regime can be obtained using time correlation functions calculated under equilibrium. In this paper, we demonstrate that the cross correlations make a significant contribution to the partial stress relaxation functions in polymer melts. We present two illustrations in the context of polymer rheology using (1) Brownian dynamics simulations of a single chain model for entangled polymers, the slip-spring model, and (2) molecular dynamics simulations of a multichain model. Using the single chain model, we analyze the contribution of the confining potential to the stress relaxation and the plateau modulus. Although the idea is illustrated with a particular model, it applies to any single chain model that uses a potential to confine the motion of the chains. This leads us to question some of the assumptions behind the tube theory, especially the meaning of the entanglement molecular weight obtained from the plateau modulus. To shed some light on this issue, we study the contribution of the nonbonded excluded-volume interactions to the stress relaxation using the multichain model. The proportionality of the bonded/nonbonded contributions to the total stress relaxation (after a density dependent "colloidal" relaxation time) provides some insight into the success of the tube theory in spite of using questionable assumptions. The proportionality indicates that the shape of the relaxation spectrum can indeed be reproduced using the tube theory and the problem is reduced to that of finding the correct prefactor. (c) 2007 American Institute of Physics

Defining Structure in Electrospun Polymer Fibres

We use a combination of microscopy, x-ray scattering and neutron scattering to show how structure develops in micro and nano-size polymer fibres prepared by electrospinning. The technique has been applied to a range of different polymers, an amorphous system (polystyrene), a crystallisable polymer (poly-epsilon-caprolactone), a composite systems (polyethylene oxide or poly vinyl alcohol containing polypyrrole) and consider the possibility of self assembly (gelatin).

Combination therapy: opportunities and challenges for polymer-drug conjugates as anticancer nanomedicines.

The discovery of new molecular targets and the subsequent development of novel anticancer agents are opening new possibilities for drug combination therapy as anticancer treatment. Polymer-drug conjugates are well established for the delivery of a single therapeutic agent, but only in very recent years their use has been extended to the delivery of multi-agent therapy. These early studies revealed the therapeutic potential of this application but raised new challenges (namely, drug loading and drugs ratio, characterisation, and development of suitable carriers) that need to be addressed for a successful optimisation of the system towards clinical applications.

Polymer-drug conjugates for combination anticancer therapy: investigating the mechanism of action.

We developed a family of polymer-drug conjugates carrying the combination of the anticancer agent epirubicin (EPI) and nitric oxide (NO). EPI-PEG-(NO)8, carrying the highest content of NO, displayed greater activity in Caco-2 cells while it decreased toxicity against endothelium cells and cardiomyocytes with respect to free EPI. FACS and confocal microscopy confirmed conjugates internalization. Light scattering showed formation of micelle whose size correlated with internalization rate. EPI-PEG-(NO)8 showed increased bioavailability in mice compared to free EPI.