Собственный опыт применения поликапролактона при производстве скаффолда мениска коленного сустава

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

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

1. Gee S. M., Posner M. Meniscus Anatomy and Basic Science, Sports Med. Arthrosc. Rev., 2021; 29(3):18, doi: 10.1097/JSA.0000000000000327.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.