3-D printed recombinant collagen type 2 and calcium phosphate cement cartilage tissue scaffolds for joint cartilage defects
No Thumbnail Available
Date
2023
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Ankara Üniversitesi
Abstract
Osteokondral defektler hem eklem kıkırdağı hem de altta yatan kemik hasarını içeren karmaşık yapıları nedeniyle önemli bir klinik zorluk teşkil etmektedir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, her iki dokunun yapısını taklit eden ve osteokondral rekonstrüksiyon için potansiyel bir çözüm sunan çift fazlı iskeleler geliştirilmiştir. Bununla birlikte, eklem kıkırdağının avasküler ve düşük hücre yoğunluğu özellikleri doğal iyileşmesini engellemekte, besin temini ve atıkların uzaklaştırılması için alternatif yöntemler gerektirmektedir. Bu sınırlama, hücre dışı matriksindeki kondrosit eksikliği ile birleştiğinde, yenilikçi yaklaşımlara duyulan ihtiyacın altını çizmektedir. Bu araştırmada, kemik ve kıkırdak dokularını ayrı ayrı taklit etmek için bifazik iskeleler tasarlanmıştır. Kıkırdak iskelesinin üst katmanı, aljinat ile birlikte, hayvan kaynaklı kolajenlere kıyasla daha az immünojenite riski taşıyan, hassas ve kontrol edilebilir bir malzeme olan rekombinant kolajenden oluşmuştur. Kemik mühendisliği için alt katman hem kemik hem de kıkırdak doku büyümesini destekleme kabiliyetiyle bilinen biyouyumlu, osteokondüktif ve biyoaktif bir malzeme olan kalsiyum fosfat çimentosundan (CPC) oluşmaktadır. Osteogenezi ve doku büyümesini teşvik etmek için yaklaşık 300 μm makro gözeneklere sahip CPC iskeleleri araştırıldı, bu nedenle birbirine bağlı makro gözeneklere sahip CPC iskeleleri oluşturmak için dolaylı 3D baskı yöntemi kullanıldı. Kıkırdak katmanı için sodyum aljinat ve rekombinant kolajen iskeleler tasarlanmış ve 3D olarak basılmıştır. Bu kalsiyum fosfat çimento iskeleleri ve rekombinant kolajen/aljinat iskeleler daha sonra adipoz kaynaklı mezenkimal kök hücreler (ADMSC'ler) kullanılarak in vitro osteokondrojenik ve kondrojenik farklılaşma potansiyelleri açısından ayrı ayrı test edilmiştir. Mekanik özellikler, hücre canlılığı, proliferasyon, morfoloji ve farklılaşma özellikleri dahil olmak üzere çeşitli yönleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Çalışma bulguları, bifazik kalsiyum fosfat kemik çimentosu ve rekombinant kolajen/aljinat iskelelerin kombinasyonunun osteokondral defektlerin onarımı için umut vaat ettiğini göstermektedir. Bu yaklaşım, subkondral kemiğe benzer mekanik destek sağlarken, kıkırdak onarımı için kondrojenik bir iskele sunarak, osteokondral defektler için gelişmiş rejeneratif stratejilere değerli bilgiler katmakta ve klinik ortamlarda hastaları iyileştirmesi umut edilmektedir.
Osteochondral defects present a significant clinical challenge due to their complex nature involving both articular cartilage and underlying bone damage. To address this challenge, biphasic scaffolds have been developed to mimic the structures of both tissues, offering a potential solution for osteochondral reconstruction. However, the avascular and low-cell-density characteristics of articular cartilage hinder its natural healing, necessitating alternative methods for nutrient supply and waste removal. This limitation, coupled with the lack of chondrocytes in its extracellular matrix, underscores the need for innovative approaches. In this research, biphasic scaffolds were designed to mimic bone and cartilage tissues separately. The upper layer of the cartilage scaffold was composed of recombinant collagen, a precise and controllable material with a reduced risk of immunogenicity compared to animal-derived collagens, in conjunction with alginate. For bone engineering, the lower layer consisted of calcium phosphate cement (CPC), a biocompatible, osteoconductive, and bioactive material known for its ability to support both bone and cartilage tissue growth. For the cartilage component, sodium alginate and recombinant collagen scaffolds were designed and 3D printed. These calcium phosphate cement scaffolds and recombinant collagen/alginate scaffolds were then separately tested for their osteochondrogenic and chondrogenic differentiation potential in vitro using adipose-derived mesenchymal stem cells (ADMSCs). Various aspects, including mechanical properties, cell viability, proliferation, morphology, and differentiation characteristics, were thoroughly investigated. The study findings suggest that the combination of biphasic calcium phosphate bone cement and recombinant collagen/alginate scaffolds holds great promise for repairing osteochondral defects. This approach provides mechanical support resembling subchondral bone while offering a chondrogenic scaffold for cartilage repair. This study contributes valuable insights into advanced regenerative strategies for addressing osteochondral defects, ultimately improving patient outcomes in clinical settings.
Description
Keywords
Osteokondral defekt, kıkırdak rejenerasyonu, kıkırdak doku iyileştirilmesi, Kıkırdak doku mühendisliği, rekombinant kolajen, kalsiyum fosfat çimentosu, kıkırdak doku biyoiskelesi