Применение биоактивного биодеградируемого имплантата из поликапролактона для лечения остеохондральных дефектов: экспериментальное исследование

Автор: Попков А.В., Горбач Е.С., Горбач Е.Н., Кононович Н.А., Киреева Е.А., Попков Д.А.

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Статья в выпуске: 6 т.29, 2023 года.

Бесплатный доступ

Введение. Повреждение суставного хряща крупных суставов является частой патологией опорно-двигательного аппарата. Однако до настоящего времени восстановление пораженной суставной поверхности остается нерешенной проблемой травматологии и ортопедии.Цель. Оценить эффективность применения эластичного биоактивного биодеградируемого имплантата из поликапролактона, импрегнированного частицами гидроксиапатита, для заживления остеохондрального дефекта мыщелка бедренной кости у крыс.Материалы и методы. У 76 крыс линии Вистар, разделенных на 2 группы, моделировали костно-хрящевой дефект медиального мыщелка бедренной кости. В опытной группе дефект замещали биоразлагаемой биоактивной мембраной из поликапролактона с гидроксиапатитом. В контрольной группе смоделированный дефект не замещали. Он заживал естественным путем.Результаты были оценены в течение года клиническими, анатомическими, гистологическими, биомеханическими и статистическими методами.Результаты. Диапазон движений в коленном суставе у животных опытной группы на всех этапах эксперимента был существенно лучше, чем в контроле. Имплантат обеспечивал целостность и конгруэнтность суставной поверхности. На 180-е сутки на месте замещенного имплантатом дефекта наблюдался новообразованный участок суставной поверхности органотипического строения с восполнением субхондральной кости костной тканью, а суставной поверхности - хрящевой тканью. Имплантат к этому периоду полностью биодеградировал. Биомеханические свойства поврежденной суставной поверхности в опытной группе восстанавливались через 60 дней до уровня интактных животных. В контрольной группе, даже через год, оставались ниже на 27-29 %.Обсуждение. Восполнение дефекта эластичным имплантатом из поликапролактона с гидроксиапатитом обеспечивало раннюю функциональную нагрузку на сустав. Структура имплантата, имитирующая внеклеточный матрикс, способствовала росту, пролиферации и направленной дифференцировке клеток в области остеохондрального дефекта. Умеренная скорость биодеградируемости материала позволяла постепенно заместить имплантат органоспецифическими тканями.Заключение. Биодеградируемый имплантат из поликапролактона, импрегнированный частицами гидроксиапатита, эффективен для заживления костно-хрящевых дефектов.

Еще

Суставной хрящ, остеохондральный дефект, биодеградируемые имплантаты, поликапролактон, гидроксиапатит

Короткий адрес: https://sciup.org/142240032

IDR: 142240032 | DOI: 10.18019/1028-4427-2023-29-6-615-628

Список литературы Применение биоактивного биодеградируемого имплантата из поликапролактона для лечения остеохондральных дефектов: экспериментальное исследование

Айрапетов Г.А., Воротников А.А., Коновалов Е.А. Методы хирургического лечения локальных дефектов гиалинового хряща крупных суставов (обзор литературы). Гений ортопедии. 2017;23(4):485-491. doi: 10.18019/1028-4427- 2017-23-4-485-49
Pearsall IV A, Madanagopal S, Tucker J. The Evaluation of Refrigerated and Frozen Osteochondral Allografts in the Knee. Surgical Science. Vol. 2011;2(5):232-241. doi: 10.4236/ss.2011.25052
Брянская А.И., Тихилов Р.М., Куляба Т.А., Корнилов Н.Н. Хирургические методы лечения пациентов с локальными дефектами суставной поверхности мыщелков бедренной кости (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2010;16(4):84-92. doi: 10.21823/23112905-2010-0-4-84-92
Советников Н.Н., Кальсин В.А., Коноплянников М.А., Муханов В.В. Клеточные технологии и тканевая инженерия в лечении дефектов суставной поверхности. Клиническая практика. 2013;(1):52-66.
Божокин М.С., Божкова С.А., Нетылько Г.И. Возможности современных клеточных технологий для восстановления поврежденого суставного хряща (аналитический обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2016;22(3):122-134. doi: 10.21823/2311-2905-2016-223-122-134
Hafezi-Nejad N, Zikria B, Eng J, et al. Predictive value of semi-quantitative MRI-based scoring systems for future knee replacement: data from the osteoarthritis initiative. Skeletal Radiol. 2015;44(11):1655-1662. doi: 10.1007/s00256-015-2217-2
Куляба Т.А., Банцер С.А., Трачук П.А. и др. Эффективность различных хирургических методик при лечении локальных повреждений хряща коленного сустава (обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2020;26(3):170-181. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-3-170-181
Richter DL, Schenck RC Jr, Wascher DC, Treme G. Knee Articular Cartilage Repair and Restoration Techniques: A Review of the Literature. Sports Health. 2016;8(2):153-160. doi: 10.1177/1941738115611350
Котельников Г.П., Волова Л.Т., Ларцев Ю.В. и др. Новый способ пластики дефектов суставного гиалинового хряща комбинированным клеточно-тканевым трансплантатом. Травматология и ортопедия России. 2010;16(1):150-155. doi: 10.21823/2311-2905-2010-0-1-150-155 10.
Matsusue Y, Kotake T, Nakagawa Y, Nakamura T. Arthroscopic osteochondral autograft transplantation for chondral lesion of the tibial plateau of the knee. Arthroscopy. 2001;17(6):653-659. doi: 10.1053/jars.2001.22400
Куляба Т.А., Корнилов Н.Н., Селин А.В., Печинский А.И. Отдаленные результаты мозаичной костно-хрящевой аутопластики при лечении заболеваний и повреждение коленного сустава. Травматология и ортопедия России. 2007;(3):24.
Filardo G, Kon E, Roffi A, et al. Scaffold-based repair for cartilage healing: a systematic review and technical note. Arthroscopy. 2013;29(1):174-186. doi: 10.1016/j.arthro.2012.05.891
Schrock JB, Kraeutler MJ, Houck DA, et al. A Cost-Effectiveness Analysis of Surgical Treatment Modalities for Chondral Lesions of the Knee: Microfracture, Osteochondral Autograft Transplantation, and Autologous Chondrocyte Implantation. Orthop J Sports Med. 2017;5(5):2325967117704634. doi: 10.1177/2325967117704634
Christensen BB, Foldager CB, Jensen J, et al. Poor osteochondral repair by a biomimetic collagen scaffold: 1- to 3-year clinical and radiological follow-up. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2016;24(7):2380-7. doi: 10.1007/s00167-015-3538-3
Nair LS, Laurencin CT. Biodegradable polymers as biomaterials. Prog Polym Sci. 2007;32(8-9):762-798. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2007.05.017
Козадаев М.Н. Применение матриц на основе поликапролактона для стимуляции регенерации суставного хряща в условиях эксперимента. Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2014;(3-2):128-130.
Filardo G, Kon E, Roffi A, et al. Scaffold-based repair for cartilage healing: a systematic review and technical note. Arthroscopy. 2013;29(1):174-86. doi: 10.1016-1.arthro.2012.05.891
Mohan N, Nair PD. A synthetic scaffold favoring chondrogenic phenotype over a natural scaffold. Tissue Eng Part A. 2010;16(2):373-84. doi: 10.1089/ten.TEA.2009.0314
Levingstone TJ, Ramesh A, Brady RT, et al. Cell-free multi-layered collagen-based scaffolds demonstrate layer specific regeneration of functional osteochondral tissue in caprine joints. Biomaterials. 2016;87:69-81. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.02.006
Nirmal RS, Nair PD. Significance of soluble growth factors in the chondrogenic response of human umbilical cord matrix stem cells in a porous three dimensional scaffold. Eur Cell Mater. 2013;26:234-251. doi: 10.22203/ecm.v026a17
Hernigou J, Vertongen P, Chahidi E, et al. Effects of press-fit biphasic (collagen and HA/ßTCP) scaffold with cell-based therapy on cartilage and subchondral bone repair knee defect in rabbits. Int Orthop. 2018;42(7):1755-1767. doi: 10.1007/s00264-018-3999-3
Meng X, Ziadlou R, Grad S, et al. Animal Models of Osteochondral Defect for Testing Biomaterials. Biochem Res Int. 2020;2020:9659412. doi: 10.1155/2020/9659412
van den Borne MP, Raijmakers NJ, Vanlauwe J, et al. International Cartilage Repair Society (ICRS) and Oswestry macroscopic cartilage evaluation scores validated for use in Autologous Chondrocyte Implantation (ACI) and microfracture. Osteoarthritis Cartilage. 2007;15(12):1397-1402. doi: 10.1016/j.joca.2007.05.005
Guo X, Park H, Young S, et al. Repair of osteochondral defects with biodegradable hydrogel composites encapsulating marrow mesenchymal stem cells in a rabbit model. Acta Biomater. 2010;6(1):39-47. doi: 10.1016/j.actbio.2009.07.041
Caminal M, Moll X, Codina D, et al. Transitory improvement of articular cartilage characteristics after implantation of polylactide:polyglycolic acid (PLGA) scaffolds seeded with autologous mesenchymal stromal cells in a sheep model of critical-sized chondral defect. Biotechnol Lett. 2014;36(10):2143-2153. doi: 10.1007/s10529-014-1585-3
Zheng P, Hu X, Lou Y, Tang K. A Rabbit Model of Osteochondral Regeneration Using Three-Dimensional Printed Polycaprolactone-Hydroxyapatite Scaffolds Coated with Umbilical Cord Blood Mesenchymal Stem Cells and Chondrocytes. Med Sci Monit. 2019;25:7361-7369. doi: 10.12659/MSM.915441
O'Driscoll SW, Keeley FW, Salter RB. The chondrogenic potential of free autogenous periosteal grafts for biological resurfacing of major full-thickness defects in joint surfaces under the influence of continuous passive motion. An experimental investigation in the rabbit. J Bone Joint Surg Am. 1986;68(7):1017-1035.
Moojen DJ, Saris DB, Auw Yang KG, et al. The correlation and reproducibility of histological scoring systems in cartilage repair. Tissue Eng. 2002;8(4):627-634. doi: 10.1089/107632702760240544
Rutgers M, van Pelt MJ, Dhert WJ, et al. Evaluation of histological scoring systems for tissue-engineered, repaired and osteoarthritic cartilage. Osteoarthritis Cartilage. 2010;18(1):12-23. doi: 10.1016/j.joca.2009.08.009
McGoldrick NP, Murphy EP, Kearns SR. Osteochondral lesions of the ankle: The current evidence supporting scaffold-based techniques and biological adjuncts. Foot Ankle Surg. 2018;24(2):86-91. doi: 10.1016/j.fas.2017.01.003
Dorotka R, Windberger U, Macfelda K, et al. Repair of articular cartilage defects treated by microfracture and a three-dimensional collagen matrix. Biomaterials. 2005;26(17):3617-3629. doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.09.034
Schüttler KF, Schenker H, Theisen C, et al. Use of cell-free collagen type I matrix implants for the treatment of small cartilage defects in the knee: clinical and magnetic resonance imaging evaluation. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2014;22(6):1270-1276. doi: 10.1007/s00167-013-2747-x
Roessler PP, Pfister B, Gesslein M, et al. Short-term follow up after implantation of a cell-free collagen type I matrix for the treatment of large cartilage defects of the knee. Int Orthop. 2015;39(12):2473-2479. doi: 10.1007/s00264-015-2695-9
Irawan V, Sung TC, Higuchi A, Ikoma T. Collagen Scaffolds in Cartilage Tissue Engineering and Relevant Approaches for Future Development. Tissue Eng Regen Med. 2018;15(6):673-697. doi: 10.1007/s13770-018-0135-9
De Santis R, Russo A, Gloria A, et al. Towards the Design of 3D Fiber-Deposited Poly(s-caprolactone)/lron-Doped Hydroxyapatite Nanocomposite Magnetic Scaffolds for Bone Regeneration. J Biomed Nanotechnol. 2015;11(7):1236-46. doi: 10.1166/jbn.2015.2065
Domingos M, Intranuovo F, Russo T, et al. The first systematic analysis of 3D rapid prototyped poly(e-caprolactone) scaffolds manufactured through BioCell printing: the effect of pore size and geometry on compressive mechanical behaviour and in vitro hMSC viability. Biofabrication. 2013;5(4):045004. doi: 10.1088/1758-5082/5/4/045004
Chen J, Chen H, Li P, et al. Simultaneous regeneration of articular cartilage and subchondral bone in vivo using MSCs induced by a spatially controlled gene delivery system in bilayered integrated scaffolds. Biomaterials. 2011;32(21):4793-4805. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.03.041
Chen Y, Liu X, Liu R, et al. Zero-order controlled release of BMP2-derived peptide P24 from the chitosan scaffold by chemical grafting modification technique for promotion of osteogenesis in vitro and enhancement of bone repair in vivo. Theranostics. 2017;7(5):1072-1087. doi: 10.7150/ thno.18193
Wu X, Miao L, Yao Y, et al. Electrospun fibrous scaffolds combined with nanoscale hydroxyapatite induce osteogenic differentiation of human periodontal ligament cells. Int J Nanomedicine. 2014;9:4135-43. doi: 10.2147/IJN.S65272
Ronca D, Langella F, Chierchia M, et al. Bone Tissue Engineering: 3D PCL-based Nanocomposite Scaffolds with Tailored Properties. Procedia CIRP. 2016;49:51-54. doi: 10.1016/j.procir.2015.07.028
Domingos M, Gloria A, Coelho J, et al. Three-dimensional printed bone scaffolds: The role of nano/micro-hydroxyapatite particles on the adhesion and differentiation of human mesenchymal stem cells. Proc Inst Mech Eng H. 2017;231(6):555-564. doi: 10.1177/0954411916680236
Ginestra P., Ceretti E., Fiorentino A. Electrospinning of Poly-caprolactone for Scaffold Manufacturing: Experimental Investigation on the Process Parameters Influence. Procedia CIRP. 2016;49:8-13. doi: 10.1016/j.procir.2015.07.020
Alfieri FM, Vargas E Silva NCO, Dos Santos ACA, Battistella LR. Cutaneous temperature and pressure pain threshold in individuals with knee osteoarthritis. Reumatologia. 2020;58(5):272-276. doi: 10.5114/reum.2020.100195
Windisch C, Brodt S, Röhner E, Matziolis G. Effects of Kinesio taping compared to arterio-venous Impulse System™ on limb swelling and skin temperature after total knee arthroplasty. Int Orthop. 2017;41(2):301-307. doi: 10.1007/s00264-016-3295-z
Edrich J, Smyth CJ. Arthritis inflammation monitored by subcutaneous millimeter wave thermography. J Rheumatol. 1978 Spring;5(1):59-67.
Oblinger W, Engel JM, Franke M. Thermographische Diagnostik der Arthritis peripherer Gelenke [Thermographic diagnosis of arthritis in peripheral joints]. Z Rheumatol. 1985;44(2):77-81. (In German)
Windisch C, Brodt S, Roehner E, Matziolis G. Regional differences in temperature course after knee arthroplasty. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2016;24(8):2686-2691. doi: 10.1007/s00167-015-3809-z
Windisch C, Brodt S, Rohner E, Matziolis G. Effects of Kinesio taping compared to arterio-venous Impulse System™ on limb swelling and skin temperature after total knee arthroplasty. Int Orthop. 2017;41(2):301-307. doi: 10.1007/s00264-016-3295-z
Mohajer B, Dolatshahi M, Moradi K, et al. Role of Thigh Muscle Changes in Knee Osteoarthritis Outcomes: Osteoarthritis Initiative Data. Radiology. 2022;305(1):169-178. doi: 10.1148/radiol.212771
Egloff C, Hugle T, Valderrabano V. Biomechanics and pathomechanisms of osteoarthritis. Swiss Med Wkly. 2012;142:w13583. doi: 10.4414/ smw.2012.13583
Wojcieszek A, Kurowska A, Majda A, et al. The Impact of Chronic Pain, Stiffness and Difficulties in Performing Daily Activities on the Quality of Life of Older Patients with Knee Osteoarthritis. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(24):16815. doi: 10.3390/ijerph192416815
Kiss RM. Effect of severity of knee osteoarthritis on the variability of gait parameters. J Electromyogr Kinesiol. 2011;21(5):695-703. doi: 10.1016/j. jelekin.2011.07.011
Попков А.В., Попков Д.А., Кобызев А.Е. и др. Положительный опыт полнослойного замещения дефекта суставного хряща при использовании деградируемого имплантата с биоактивной поверхностью в сочетании с обогащенной тромбоцитами плазмой крови (экспериментальное исследование). Гений ортопедии. 2020;26(3):392-397. doi: 10.18019/1028-4427-2020-26-3-392-397
Dahlin RL, Kinard LA, Lam J, et al. Articular chondrocytes and mesenchymal stem cells seeded on biodegradable scaffolds for the repair of cartilage in a rat osteochondral defect model. Biomaterials. 2014;35(26):7460-7469. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.05.055
Christensen BB, Foldager CB, Hansen OM, et al. A novel nano-structured porous polycaprolactone scaffold improves hyaline cartilage repair in a rabbit model compared to a collagen type I/III scaffold: in vitro and in vivo studies. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2012;20(6):1192-1204. doi: 10.1007/s00167-011-1692-9
Kleemann RU, Krocker D, Cedraro A, et al. Altered cartilage mechanics and histology in knee osteoarthritis: relation to clinical assessment (ICRS Grade). Osteoarthritis Cartilage. 2005;13(11):958-963. doi: 10.1016/j.joca.2005.06.008
Paatela T, Vasara A, Nurmi H, et al. Biomechanical Changes of Repair Tissue after Autologous Chondrocyte Implantation at Long-Term Follow-Up. Cartilage. 2021;13(1_suppl):1085S-1091S. doi: 10.1177/1947603520921433
Maia FR, Carvalho MR, Oliveira JM, Reis RL. Tissue Engineering Strategies for Osteochondral Repair. Adv Exp Med Biol. 2018;1059:353-371. doi: 10.1007/978-3-319-76735-2_16

Еще

Статья научная