jktoКафедра травматологии и ортопедииDepartment of Traumatology and Orthopaedics2226-2016ПРОФИЛЬ — 2С10.17238/2226-2016-2023-1-18-24jkto-74Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕORIGINAL RESEARCHСобственный опыт применения поликапролактона при производстве скаффолда мениска коленного суставаOwn experience in the use of polycaprolactone in the production of knee meniscus scaffoldКудрачевТ. Р.KudrachevT. R.

Кудрачев Тагир Радикович – аспирант кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

127994, Москва

Tagir R. Kudrachev – postgraduate student of Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

kudrachev_t_r@staff.sechenov.ruЛычагинА. В.LychaginA. V.

Лычагин Алексей Владимирович – доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

127994, Москва

 

Alexey V. Lychagin – Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

dr.ly-chagin@mail.ruЛипинаМ. М.LipinaM. M.

Липина Марина Михайловна – кандидат медицинских наук, доцент кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф 

127994, Москва

Marina M. Lipina – Candidate of Medical Sciences, assistant professor at Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

lipina_m_m@staff.sechenov.ruКалинскийЕ. Б.KalinskyE. B.

Калинский Евгений Борисович – кандидат медицинских наук, доцент кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

127994, Москва

Eugene B. Kalinsky – Candidate of Medical Sciences, assistant professor at Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

kalinskiy_e_b@staff.sechenov.ruЕлизаровМ. П.ElizarovM. P.

Елизаров Михаил Павлович – кандидат медицинских наук, ассистент кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

127994, Москва

Mikhail P. Elizarov – Candidate of Medical Sciences, assistant at Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

elizarovm07@gmail.comГончарукЮ. Р.GoncharukYu. R.

Гончарук Юлия Романовна – ассистент, аспирант кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф

127994, Москва

Yuliya R. Goncharuk – postgraduate student, assistant of the Department of traumatology, orthopedics and disaster surgery

127994, Moscow

goncharuk_yu_r@staff.sechenov.ruАксеноваН. А.AksenovaN. A.

Аксенова Надежда Анатольевна – кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института регенеративной медицины

119991, Москва

Nadezda A. Aksenova – Candidate of Chemical Sciences, Senior Researcher at the Institute of Regenerative Medicine

119991, Moscow

aksenova_n_a@staff.sechenov.ruЛарионовД. И.LarionovD. I.

Ларионов Дмитрий Иванович – младший научный сотрудник лаборатории управляемых бионических систем

119991, Москва

Dmitry I. Larionov – Junior Researcher at the Laboratory of Driven Bionic Systems

119991, Moscow

larionov_d_i@staff.sechenov.ruШкердинаМ. И.ShkerdinaM. I.

Шкердина Мария Игоревна – студентка 6-го курса Института клинической медицины им. Н.В. Склифосовского

119435, Москва

Maria I. Shkerdina – The 6th Year Student of N.V. Sklifosovskiy Institute of Clinical Medicine

119435, Moscow

shkerdina_m_i@mail.student.sechenov.ruФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияOrthopedics and Disaster Surgery, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Russian FederationИнститут регенеративной медицины, ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет); Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАНРоссияInstitute for Regenerative Medicine, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University); N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут бионических технологий и инжиниринга, ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияInstitute of Bionic Technologies and Engineering, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Russian FederationИнститут клинической медицины им. Н.В. Склифосовского, ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)РоссияN.V. Sklifosovskiy Institute of Clinical Medicine, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Russian Federation202315032026011824Copyright © Кудрачев Т.Р., Лычагин А.В., Липина М.М., Калинский Е.Б., Елизаров М.П., Гончарук Ю.Р., Аксенова Н.А., Ларионов Д.И., Шкердина М.И., 20262026Кудрачев Т.Р., Лычагин А.В., Липина М.М., Калинский Е.Б., Елизаров М.П., Гончарук Ю.Р., Аксенова Н.А., Ларионов Д.И., Шкердина М.И.Kudrachev T.R., Lychagin A.V., Lipina M.M., Kalinsky E.B., Elizarov M.P., Goncharuk Y.R., Aksenova N.A., Larionov D.I., Shkerdina M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.jkto.moscow/jour/article/view/74

Разрывы мениска влияют на распределение нагрузки в суставе и без реконструкции целостности структуры менисковой ткани прогрессия остеоартроза будет только нарастать. На сегодняшний день при помощи регенеративной медицины возможно сконструировать персонализированный скаффолд мениска, который должен решить данную проблему. Однако выбор метода производства и материала каркаса остается большим вопросом для исследователей. В качестве материала для формирования каркаса исследователи все чаще рассматривают поликапролактон в связи с его биосовместимостью и хорошими механическими функциями.

Цель данной работы

Цель данной работы: Оценка возможности использования поликапролактонового филамента для создания скаффолда мениска коленного сустава при помощи 3Д печати.

Материалы и методы

Материалы и методы: Экспериментальная работа, включающая печать сконструированного в компьютерной программе скаффолда мениска с помощью поликапролактонового филамента (молекулярной массой = 50кДа) на FDM 3Д принтере Flashforge Guider 2s. Оценка и характеристика материала проводилась посредством визуализации скаффолда на оптическом микроскопе Olympus SZ51, измерения температуры деструкции при помощи синхронного термического анализатора STA 6000 и исследование химической структуры ИК-Фурье-спектроскопии многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) на приборе Spectrum Two (“Perkin-Elmer”, США).

Результаты

Результаты: Температура экструдера 3Д принтера изменяет физико-химические свойства поликапролактона, что ограничивает возможность контроля величины пор и балок скаффолда. Характеристики конечного продукта не позволяют производить его последующую модификацию.

Выводы

Выводы: для дальнейшего производства скаффолдов мениска на основе поликапролактона необходимо использовать 3Д принтер, температуру экструдера которого возможно настроить на более низкие параметры.

Meniscus injuries are one of the most important causes of premature osteoarthritis in the knee. Meniscal rupture affects local biomechanical properties and load distribution of the joint. In order to reconstruct the integrity of the meniscal structure and enhance regeneration of meniscal tissue a personalized scaffold may be used. The choice of materials and method of scaffold fabrication remain challenges for researchers. Polycaprolactone is considered as a suitable material for meniscal scaffold due to its biocompatibility and good mechanical characteristics.

Purpose of the study is to evaluate the feasibility of polycaprolactone filament use to create a knee joint meniscus scaffold using 3D printing technology.

Materials and methods

Materials and methods: a meniscus scaffold virtual prototype was created and scaffold was constructed after model using a polycaprolactone filament (molecular weight = 50kDa) on an FDM 3D printer Flashforge Guider 2s. The evaluation of the material was carried out by imaging the scaffold on a OLYMPUS SZ51 optical microscope. The study of destruction temperature was performed using a synchronous thermal analyzer STA 6000 and investigation of the chemical structure of the IR-Fourier spectroscopy of multiple disturbed total internal reflection (MNPVO) on the Spectrum Two ("Perkin-Elmer", USA).

Results

Results: The temperature of the 3D printer extruder changes the physicochemical properties of polycaprolactone, which limits the ability to control the size of pores and scaffold beams. The characteristics of the final product do not allow its subsequent modification.

Conclusions

Conclusions: polycaprolactone based meniscal scaffolds manufacturing should be done on 3D printer with adjustable extruder temperature

тканевая инженерияскаффолды менисковаддитивные технологииполикапролактон3Д печатьmeniscal regenerationmeniscal repairtissue engineeringmeniscal scaffoldsИсследование не имело спонсорской поддержки.The study had no sponsorship.ReferencesGee S. M., Posner M. Meniscus Anatomy and Basic Science, Sports Med. Arthrosc. Rev., 2021; 29(3):18, doi: 10.1097/JSA.0000000000000327.Gee S. M., Posner M. Meniscus Anatomy and Basic Science, Sports Med. Arthrosc. Rev., 2021; 29(3):18, doi: 10.1097/JSA.0000000000000327.Twomey-Kozak J., Jayasuriya C. Meniscus repair and regeneration: A systematic review from a basic and translational science perspective, Clin. Sports Med., 2020; 39(1):125–163, doi: 10.1016/j.csm.2019.08.003.Twomey-Kozak J., Jayasuriya C. Meniscus repair and regeneration: A systematic review from a basic and translational science perspective, Clin. Sports Med., 2020; 39(1):125–163, doi: 10.1016/j.csm.2019.08.003.Feeley B. T., Lau B. C. Biomechanics and Clinical Outcomes of Partial Meniscectomy, J. Am. Acad. Orthop. Surg. 2018; 26(24):853–863. doi: 10.5435/JAAOS-D-17-00256.Feeley B. T., Lau B. C. Biomechanics and Clinical Outcomes of Partial Meniscectomy, J. Am. Acad. Orthop. Surg. 2018; 26(24):853–863. doi: 10.5435/JAAOS-D-17-00256.Houck D. A., Kraeutler M. J., Belk J. W., McCarty E. C., Bravman J. T. Similar clinical outcomes following collagen or polyurethane meniscal scaffold implantation: a systematic review, Knee Surg. Sports Traumatol. Arthrosc. Off. J. ESSKA. 2018; 26(8):2259–2269. doi: 10.1007/s00167-018-4838-1.Houck D. A., Kraeutler M. J., Belk J. W., McCarty E. C., Bravman J. T. Similar clinical outcomes following collagen or polyurethane meniscal scaffold implantation: a systematic review, Knee Surg. Sports Traumatol. Arthrosc. Off. J. ESSKA. 2018; 26(8):2259–2269. doi: 10.1007/s00167-018-4838-1.Lombardo M. D. M., Mangiavini L., Peretti G. M. Biomaterials and Meniscal Lesions: Current Concepts and Future Perspective, Pharmaceutics 2021; 13(11):1886. doi: 10.3390/pharmaceutics13111886.Lombardo M. D. M., Mangiavini L., Peretti G. M. Biomaterials and Meniscal Lesions: Current Concepts and Future Perspective, Pharmaceutics 2021; 13(11):1886. doi: 10.3390/pharmaceutics13111886.Buma P., van Tienen T., Veth R. The collagen meniscus implant, Expert Rev. Med. Devices. 2007;4(4):507–516. doi: 10.1586/17434440.4.4.507.Buma P., van Tienen T., Veth R. The collagen meniscus implant, Expert Rev. Med. Devices. 2007;4(4):507–516. doi: 10.1586/17434440.4.4.507.Moradi L., Vasei M., Dehghan M. M., Majidi M., Farzad Mohajeri S., Bonakdar S., Regeneration of meniscus tissue using adipose mesenchymal stem cells-chondrocytes co-culture on a hybrid scaffold: In vivo study, Biomaterials. 2017; 126:18–30. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.02.022.Moradi L., Vasei M., Dehghan M. M., Majidi M., Farzad Mohajeri S., Bonakdar S., Regeneration of meniscus tissue using adipose mesenchymal stem cells-chondrocytes co-culture on a hybrid scaffold: In vivo study, Biomaterials. 2017; 126:18–30. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.02.022.Bandyopadhyay A., Mandal B. B. A three-dimensional printed silkbased biomimetic tri-layered meniscus for potential patient-specific implantation, Biofabrication. 2019:12(1): 015003. doi: 10.1088/1758-5090/ab40fa.Bandyopadhyay A., Mandal B. B. A three-dimensional printed silkbased biomimetic tri-layered meniscus for potential patient-specific implantation, Biofabrication. 2019:12(1): 015003. doi: 10.1088/1758-5090/ab40fa.Peng Y., Lu M., Zhou Z., Wang C., Liu E., Zhang Y., Liu T., Zuo J. Natural biopolymer scaffold for meniscus tissue engineering, Front. Bioeng. Biotechnol. 2022; 10:1003484. doi: 10.3389/fbioe.2022.1003484.Peng Y., Lu M., Zhou Z., Wang C., Liu E., Zhang Y., Liu T., Zuo J. Natural biopolymer scaffold for meniscus tissue engineering, Front. Bioeng. Biotechnol. 2022; 10:1003484. doi: 10.3389/fbioe.2022.1003484.Li H., Li P., Yang Z., Gao C., Fu L., Liao Z., Zhao T., Cao F., Chen W., Peng Y., Yuan Z., Sui X., Liu S., Guo Q. Meniscal Regenerative Scaffolds Based on Biopolymers and Polymers: Recent Status and Applications, Front. Cell Dev. Biol. 2021;9:661802. doi: 10.3389/fcell.2021.661802.Li H., Li P., Yang Z., Gao C., Fu L., Liao Z., Zhao T., Cao F., Chen W., Peng Y., Yuan Z., Sui X., Liu S., Guo Q. Meniscal Regenerative Scaffolds Based on Biopolymers and Polymers: Recent Status and Applications, Front. Cell Dev. Biol. 2021;9:661802. doi: 10.3389/fcell.2021.661802.De Coninck T., Huysse W., Willemot L., Verdonk R., Verstraete K., Verdonk P., Two-Year Follow-up Study on Clinical and Radiological Outcomes of Polyurethane Meniscal Scaffolds, Am. J. Sports Med. 2013; 41(1):64–72. doi: 10.1177/0363546512463344.De Coninck T., Huysse W., Willemot L., Verdonk R., Verstraete K., Verdonk P., Two-Year Follow-up Study on Clinical and Radiological Outcomes of Polyurethane Meniscal Scaffolds, Am. J. Sports Med. 2013; 41(1):64–72. doi: 10.1177/0363546512463344.Gu Y., Zhu W., Hao Y., Lu L., Chen Y., Wang Y. Repair of meniscal defect using an induced myoblast-loaded polyglycolic acid mesh in a canine model, Exp. Ther. Med. 2012;3(2):293–298. doi: 10.3892/etm.2011.403.Gu Y., Zhu W., Hao Y., Lu L., Chen Y., Wang Y. Repair of meniscal defect using an induced myoblast-loaded polyglycolic acid mesh in a canine model, Exp. Ther. Med. 2012;3(2):293–298. doi: 10.3892/etm.2011.403.Bahcecioglu G., Hasirci N., Hasirci V. Cell behavior on the alginate-coated PLLA/PLGA scaffolds, Int. J. Biol. Macromol. 2019; 124: 444–450. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.11.169.Bahcecioglu G., Hasirci N., Hasirci V. Cell behavior on the alginate-coated PLLA/PLGA scaffolds, Int. J. Biol. Macromol. 2019; 124: 444–450. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2018.11.169.Kumari A., Yadav S. K., Yadav S.C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2010; 75(1):1–18. doi: 10.1016/j.colsurfb.2009.09.001.Kumari A., Yadav S. K., Yadav S.C. Biodegradable polymeric nanoparticles based drug delivery systems. Colloids Surf. B Biointerfaces, 2010; 75(1):1–18. doi: 10.1016/j.colsurfb.2009.09.001.Gopinathan J., Mano S., Pillai E.V.M.M., Rai S.S.K.D., Rajendran S., Bhattacharyya A. Biomolecule incorporated poly-ε-caprolactone nanofibrous scaffolds for enhanced human meniscal cell attachment and proliferation, RSC Adv. 2015; 5(90):73552–73561. doi: 10.1039/C5RA14315B.Gopinathan J., Mano S., Pillai E.V.M.M., Rai S.S.K.D., Rajendran S., Bhattacharyya A. Biomolecule incorporated poly-ε-caprolactone nanofibrous scaffolds for enhanced human meniscal cell attachment and proliferation, RSC Adv. 2015; 5(90):73552–73561. doi: 10.1039/C5RA14315B.Bahcecioglu G., Hasirci N., Bilgen B., Hasirci V. A 3D printed PCL/ hydrogel construct with zone-specific biochemical composition mimicking that of the meniscus, Biofabrication. 2019;11(2):025002. doi: 10.1088/1758-5090/aaf707.Bahcecioglu G., Hasirci N., Bilgen B., Hasirci V. A 3D printed PCL/ hydrogel construct with zone-specific biochemical composition mimicking that of the meniscus, Biofabrication. 2019;11(2):025002. doi: 10.1088/1758-5090/aaf707.Xu F. J., Wang Z. H., Yang W. T. Surface functionalization of polycaprolactone films via surface-initiated atom transfer radical polymerization for covalently coupling cell-adhesive biomolecules, Biomaterials. 2010; 31(12):3139–3147. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.01.032.Xu F. J., Wang Z. H., Yang W. T. Surface functionalization of polycaprolactone films via surface-initiated atom transfer radical polymerization for covalently coupling cell-adhesive biomolecules, Biomaterials. 2010; 31(12):3139–3147. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.01.032.Rozykulyyeva L., Widiyanti P., Utomo D. N., Astuti S. D. Poly (ε-caprolactone) - Based biomaterials for meniscus tissue engineering, Jember, Indonesia. 2023; 040005. doi: 10.1063/5.0111407.Rozykulyyeva L., Widiyanti P., Utomo D. N., Astuti S. D. Poly (ε-caprolactone) - Based biomaterials for meniscus tissue engineering, Jember, Indonesia. 2023; 040005. doi: 10.1063/5.0111407.Zhang Z.-Z, Jiang D., Ding J. X., Wang S. J., Zhang L., Zhang J. Y., Qi Y. S., Chen X. S., Yu J. K. Role of scaffold mean pore size in meniscus regeneration, Acta Biomater. 2016; 43:314–326. doi: 10.1016/j.actbio.2016.07.050.Zhang Z.-Z, Jiang D., Ding J. X., Wang S. J., Zhang L., Zhang J. Y., Qi Y. S., Chen X. S., Yu J. K. Role of scaffold mean pore size in meniscus regeneration, Acta Biomater. 2016; 43:314–326. doi: 10.1016/j.actbio.2016.07.050.Abdelrazek E. M., Hezma A. M., El-khodary A., и Elzayat A. M. Spectroscopic studies and thermal properties of PCL/PMMA biopolymer blend, Egypt. J. Basic Appl. Sci. 2016;3(1):10–15. doi: 10.1016/j.ejbas.2015.06.001.Abdelrazek E. M., Hezma A. M., El-khodary A., и Elzayat A. M. Spectroscopic studies and thermal properties of PCL/PMMA biopolymer blend, Egypt. J. Basic Appl. Sci. 2016;3(1):10–15. doi: 10.1016/j.ejbas.2015.06.001.Veronesi F., Di Matteo B., Vitale N.D., Filardo G., Visani A., Kon E., Fini M. Biosynthetic scaffolds for partial meniscal loss: A systematic review from animal models to clinical practice, Bioact. Mater. 2021; 6(11):3782–3800. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.03.033.Veronesi F., Di Matteo B., Vitale N.D., Filardo G., Visani A., Kon E., Fini M. Biosynthetic scaffolds for partial meniscal loss: A systematic review from animal models to clinical practice, Bioact. Mater. 2021; 6(11):3782–3800. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.03.033.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.