بکارگیری هیدروژل ها برای احیا غضروف ها، از پلی ساکارید ها تا هیدروژل های مخلوط

Hydrogels for Cartilage Regeneration, from Polysaccharides to Hybrids

چکیده
1- مقدمه : روش های فعلی بالینی و نیاز برای توسعه ی روش های جدید
2- هیدروژل ها در بازسازی های بالینی
2-1- چارچوب های هیدروژل بدون سلول
2-2- چارچوب های هیدروژل همراه با سلول
3- پلی ساکارید ها در مقایسه با هیدروژل های ترکیبی
3-1- تکنیک های تولید و تاثیر آن ها بر روی ویژگی های هیدروژل ها
3-2- جنبش شناسی تخریب، ویژگی های فیزیکی ( قابلیت کاربرد) و تاثیرات زیستی
3-3- ویژگی های هیدروژل های مبتنی بر پلی ساکارید ها
3-4- پاسخ های زیستی هیدروژل های مبتنی بر پلی ساکارید ها
4- گرایش های آتی : از ترکیب مواد تا هیدروژل های ترکیبی
5- نکات جمع بندی
منابع

چکیده

هدف این مقاله : 1) مرور کردن جدید ترین موضوعات در زمینه ی جایگزین کردن غضروف ها و بازسازی آن ها ؛ 2) ارزیابی کردن زیست مواد ثبت شده ی فعلی که در مرحله های پیش بالینی و بالینی مورد استفاده قرار می گیرد ؛ 3) ارزیابی کردن پتانسیل استفاده از هیدروژل های پلیمری برای این کاربرد ها و دلایل محدودیت موفقیت بالینی آن ها می باشد. مطالعه های دیگر در رابطه با هیدروژل هایی که از آن ها به عنوان مواد زیستی شده است، در این مرور مورد استفاده قرار می گیرند و در دو گرایش اصلی در مهندسی بافت تقسیم شده است : 1) استفاده از مواد زیستی بدون سلول ؛ و2) استفاده از مواد زیستی همراه با سلول های طبیعی داخل آن ها. تکنیک های آماده سازی و ویژگی های ایجاد شده در هیدروژل ها نیز در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته است . پیشنهاد های اخیر که بر اساس ترکیب پلیمر های مختلف و روند های ترکیبی هستند تا بتوانند موجب بهبود ویژگی این مواد شوند هم مورد بررسی قرار گرفته اند. ترکیب المان هایی مانند چهارچوب های سلولی ( قاب های سلولی) ، ماتریس ها ( قسمت های مبتنی بر هیدروژل ها)، عامل های رشد و تحریک های مکانیکی در این قسمت برای بهینه سازی کردن ویژگی مواد مورد نیاز برای تسهیل شکل گیری بافت، بازسازی غضروف و در نتیجه کاربرد نهایی مورد نیاز می باشند. ترکیب های پلیمر ها و مواد ترکیبی ، امید بخش ترین مواد برای این کاربرد هستند. چارچوب های ترکیبی می توانند منجر به حداکثر شدن رشد و ادغام محلی بافت با شکل گیری بافت های شبه غضروف با ویژگی های زیست تقلیدی بشوند.

5- نکات جمع بندی

در حال حاضر هیچ گونه راه حل مفید بالینی برای بازسازی غضروف وجود ندارد. به همین دلیل، ما باید روش های جدید و مواد جدیدی را ایجاد کنیم تا چارچوب های مناسب را طراحی کنیم که بتوان از آن ها برای بازسازی غضروف استفاده کرد. ارزیابی ها مبتنی بر چارچوب های هیدروژل بدون سلول بیشتر بر روی بهینه سازی کردن ویژگی های مکانیکی و شیمیایی – فیزیکی این ماتریس ها متمرکز بوده است. اما، مطالعه های چارچوب های هیدروژل همراه با سلول ها بیشتر بر روی این موضوع متمرکز بوده است که آیا این چارچوب ها می توانند محیط های زیست شیمی و زیست مکانیکی مورد نیاز برای بقای سلول ها و بازسازی کردن غضروف های هیالینی با ماندگاری بالا فراهم کند یا خیر. به دلیل این که بسیاری از این ترکیب ها نه ضریب اصطکاک پایینی دارند و نه می توانند چرخه های مختلف بار را تحمل کنند، بسیاری از ترکیب ها از پلی ساکارید ها و هیدروژل های ترکیبی در این قسمت ارزیابی شده اند تا بتوان ویژگی های زیستی و مکانیکی مورد نیاز را مشابه با بافت های طبیعی به دست آورد. اما ، بعضی از مسئله ها هنوز حل نشده باقی مانده است که منجر می شود کاربرد این مواد در زمینه ی بالینی محدود شود : 1) سمی شدن بعضی از عامل های اتصال بین مولکول ها ؛ 2) کمبود یکپارچگی مکانیکی ؛ 3) کنترل ضعیف جنبش شناسی ژلاتینی ؛ 4) جنبش شناسی تخریب نامناسب

Abstract

The aims of this paper are: (1) to review the current state of the art in the field of cartilage substitution and regeneration; (2) to examine the patented biomaterials being used in preclinical and clinical stages; (3) to explore the potential of polymeric hydrogels for these applications and the reasons that hinder their clinical success. The studies about hydrogels used as potential biomaterials selected for this review are divided into the two major trends in tissue engineering: (1) the use of cell-free biomaterials; and (2) the use of cell seeded biomaterials. Preparation techniques and resulting hydrogel properties are also reviewed. More recent proposals, based on the combination of different polymers and the hybridization process to improve the properties of these materials, are also reviewed. The combination of elements such as scaffolds (cellular solids), matrices (hydrogel-based), growth factors and mechanical stimuli is needed to optimize properties of the required materials in order to facilitate tissue formation, cartilage regeneration and final clinical application. Polymer combinations and hybrids are the most promising materials for this application. Hybrid scaffolds may maximize cell growth and local tissue integration by forming cartilage-like tissue with biomimetic features.

5- Concluding Remarks

Currently, there are no clinical satisfactory solutions for cartilage tissue regeneration. From this problem, it raises the need for developing new types of materials and designing more suitable scaffolds which can be used for cartilage regeneration. Investigations based on cell-free hydrogel scaffolds have focused on the optimization of physical-chemical and mechanical properties of matrices. Whereas, cell-seeded hydrogel scaffold studies focus on whether or not they provide an appropriate biochemical and biomechanical environment for regenerating a long-lasting hyaline-type cartilage. Since many materials neither exhibit a low friction coefficient nor withstand several loading cycles, many combinations of polysaccharides and synthetic hydrogels have been assayed to obtain load-bearing and tribological properties similar to native cartilage tissue ones. However, some unsolved problems hinder the application of these materials to the clinic: (1) toxicity of some crosslinking agents; (2) lack of mechanical integrity; (3) poor control of gelation kinetics; (4) unsuitable degradation kinetics.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

بکارگیری هیدروژل ها برای احیا غضروف ها، از پلی ساکارید ها تا هیدروژل های مخلوط

Hydrogels for Cartilage Regeneration, from Polysaccharides to Hybrids

چاپ سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای با توانایی فشرده سازی و ضریب الاستیک بالاتر از غضروف

3D Printing of a Double Network Hydrogel with a Compression Strength and Elastic Modulus Greater than those of Cartilage

خلاصه

1- مقدمه

2- مواد و روش ها

2-1- آماده سازی محلول های پیش ساز هیدروژل

2-2- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای

2-3- توصیف خواص مکانیکی

3- نتایج و بحث

3-1- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه

3-2- بهینه سازی ویسکوزیته محلول AMPS برای تهیه پرینت

3-3- پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای

3-4- ویژگی تنشی هیدروژل دو شبکه ای

3-5- ویژگی های تراکم هیدروژل دو شبکه ای

3-6- مقایسه هیدروژل های سخت و غضروف گاوی پرینت شده سه بعدی

4- نتیجه گیری

محتوای مرتبط

منابع

چکیده

مقاله حاضر در خصوص استفاده از روش دو مرحله ای در پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای در دمای اتاق با استفاده از پرینتر ارزان قیمت (300 دلار) می باشد. مواد تشکیل دهنده اولین شبکه دارای قابلیت پرینت سه بعدی بوده که با خروج از نازل و افزودن سیلیکات لایه ای توانایی برش پیدا می کند. بعد از تهیه پرینت آن را در معرض UV قرار داده سپس در مواد تشکیل دهنده دومین شبکه غوطه ور می سازند. در ادامه با تابش مجدد UV شبکه متخلخلی از پلی 2- آکریل آمید -2- متیل پروپان سولفونات و پلی آکریل آمید بدست می آید. با تغییر در میزان پلی آکریل آمید نسبت به کراس لینکرها رابطه بین سفتی و بیشترین میزان کشیدگی ژل را می توان به گونه ای تنظیم کرد تا قدرت متراکم سازی (9/61 مگاپاسکال) و ضریب کشسانی (44/0 مگاپاسکال) حاصل شود که مقادیر آنها بیشتر از مقادیر گزارش شده برای غضروف گاوی می باشد. بیشترین میزان متراکم سازی (5/93 مگاپاسکال) و کشیدگی (4/1 مگاپاسکال) ژل دو برابر میزانی است که برای ژل های پرینت شده سه بعدی قبلی گزارش شده بود، همچنین با غوطه ور سازی ژل در آب شکل خود را از دست نمی دهد. با انجام پرینت سه بعدی منیسک های صناعی که از تصاویر اشعه X دستگاه CT و از مدل آناتومیکی آنها بدست آمده است، می توانیم ایمپلنت های هیدروژلی تهیه شده از تصاویر سه بعدی را در بیماران به کار ببریم.

4- نتیجه گیری

در مجموع این مطالعه روشی برای پرینت سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای ارائه داد که قدرت تراکم، قدرت تنشی و ضریب کشسانی بزرگتری نسبت به ژل های پرینت شده به صورت سه بعدی دارد. با تنظیم نسبت کراس لینکردر شبکه اول به مونومر آکریل آمید در شبکه دوم، امکان فرمولاسیون ژل با قدرت تراکم و سختی بزرگتر از غضروف گاوی را فراهم می کند. علاوه بر این، هیدروژل دو شبکه ای می تواند در دمای اتاق با پرینتر سه بعدی 300 دلاری پرینت شده و هیچ گونه تغییر شکلی پس از فرورفتن در آب به مدت 24 ساعت از خود نشان ندهد. این ژل جدید نشانگر یک فرصت برای طراحی ایمپلنت هیدروژل براساس تصویر توموگرافی بدست آمده از اشعه x خود بیمار می باشد. مطالعات بیشتر بهتر است رابطه بین مشخصات مکانیکی این ژل های پرینت شده و پتانسیل آنها برای رشد بافت غضروف را بررسی کنند.

Abstract

This article demonstrates a two-step method to 3D print double network hydrogels at room temperature with a low-cost ($300) 3D printer. A first network precursor solution was made 3D printable via extrusion from a nozzle by adding a layered silicate to make it shear-thinning. After printing and UVcuring, objects were soaked in a second network precursor solution and UV-cured again to create interpenetrating networks of poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate) and polyacrylamide. By varying the ratio of polyacrylamide to cross-linker, the trade-off between stiffness and maximum elongation of the gel can be tuned to yield a compression strength and elastic modulus of 61.9 and 0.44 MPa, respectively, values that are greater than those reported for bovine cartilage. The maximum compressive (93.5 MPa) and tensile (1.4 MPa) strengths of the gel are twice that of previous 3D printed gels, and the gel does not deform after it is soaked in water. By 3D printing a synthetic meniscus from an X-ray computed tomography image of an anatomical model, we demonstrate the potential to customize hydrogel implants based on 3D images of a patient’s anatomy.

4- CONCLUSIONS

In conclusion, this paper introduces a method to 3D print double network hydrogels that have a compression strength, tensile strength, and elastic modulus greater than any previous 3D printed gels. Tuning the ratio of the cross-linker in the first network to the acrylamide monomer in the second network allowed for the formulation of a gel with a compression strength and stiffness greater than that of bovine cartilage. In addition, the DN hydrogels could be printed at room temperature with a modified $300 3D printer and exhibited no deformation after soaking in water for 24 h. This new gel presents an opportunity to customize hydrogel implants based on X-ray computed tomography images of a patient’s own anatomy. Future work may examine the relationship between the mechanical properties of this printed gel and its potential to stimulate cartilage tissue growth.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

چاپ سه بعدی هیدروژل دو شبکه ای با توانایی فشرده سازی و ضریب الاستیک بالاتر از غضروف

3D Printing of a Double Network Hydrogel with a Compression Strength and Elastic Modulus Greater than those of Cartilage

مشخصه های زیست مکانیکی جایگزین های متفاوت برای منیسک داخلی خرگوش و اثر اندازه پروتز بر غضروف های زانو

Biomechanical characteristics of different artificial substitutes for rabbit medial meniscus and effect of prosthesis size on knee cartilage

خلاصه

ارتباط

مقدمه

روش ها

تست های بیومکانیک پروتز

آزمایش های انجام شده بر روی خرگوش

تست های بیومکانیک در مفصل زانو

ارزیابی غیر خالص

بافت شناسی سینوویال

آمار

نتایج

مباحث

جمع بندی

چکیده

پروتز های بزرگ و کوچک داکرون به عنوان جایگزین هایی برای منیسک های میانی خرگوش مورد استفاده قرار گرفته است تا این موضوع بررسی شود که آیا سایز مختلف پروتز ها میتواند بر روی نتایج بیومکانیک و بالینی تاثیر داشته باشد یا خیر. هر دو نوع این پروتز ها دارای سازگاری فشردگی بالاتر و ذخیره انرژی بیشتر نسبت به منیسک های نرمال میباشند. زانو هایی که در آن ها عمل های جراحی و برداشت منیسک انجام شده است، به عنوان گروه کنترلی مورد استفاده قرار گرفته است. هر دوی این پروتز ها منجر به تشکیل استئوفیت و سینوویت ها بعد از دوره ی سه ماهه ی کاشت شد. رشد به سمت محیط پروتز در تمام موارد مشاهده شد. زانو هایی که پروتز در آن ها قرار داشت بدون در نظر گرفتن سایز پروتز ها، سازگاری فشردگی بالاتری نسبت به زانو هایی که تحت عمل کاذب زانو قرار گرفته اند ( عمل کاذب عملی است که به صورت کاذب بر روی گروهی انجام میشود تا به عنوان گروه کنترل در نظر گرفته شوند) ، اما ذخیره ی انرژی مشابه با نرمال میباشد. زانو هایی که پروتز داشته دارای وضعیت غضروفی مشابه به زانو هایی بودند که تحت عمل کاذب قرار گرفته بودند و تجزیه ی غضروفی کمتری در درشت نی، نسبت به افرادی که منیسک آن ها برداشته شده بودند، دیده شد. به صورت کلی، سایز پروتز ها هیچ تاثیر محسوسی بر روی خروجی نداشت. سه پروتز جدید ساخته شده از تفلون های پوشش دار و بدون پوشش و داکرون توسعه یافته است تا بتوان جایگزینی نزدیک تر به منیسک های عادی ایجاد کرد. تنها پروتز های تفلون بدون پوشش توانستند سازگاری فشردگی نزدیک به حالت نرمال را ایجاد کنند و ذخیره ی انرژی آن ها نیز نسبت به دیگر پروتز ها به منیسک طبیعی نزدیک تر بود. ویژگی های این مواد میتواند بعد از کاشت، نتایج خوبی را ایجاد کند.

جمع بندی

1. تثبیت پایدار توسط رشد داخلی بافت های فیبروز و حفاظت از غضروف های درشت نی با استفاده از پروتز های بزرگ و کوچک داکرون فراهم شده است. 2. بیومکانیک غیر عادی در پروتز های بزرگ و کوچک موجب میشود که مکانیک مفصل ها تغییر یافته و موجب تشکیل استئوفیت و سینوویت میشود. 3. نسخه ی بدون پوشش پروتز های تفلون دارای سازگاری مشابه با منیسک های عادی میباشند. تمام دیگر پروتز ها سازگاری بیشتری دارند. 4. هیچ کدام از این پروتز ها مطابق تسکین – تنش منیسک های نرمال نیستند اما پروتز های تفلون مقادیر نزدیک به مقادیر نرمال، نسبت به پروتز های داکرون داشتند.

Abstract

Large and small Dacron prostheses were implanted as substitute for the medial rabbit meniscus to investigate whether prosthesis size influences the biomechanical and clinical results. Both prostheses had a higher compression compliance and higher energy storage than the normal meniscus. Knees with sham-operation and meniscus resection were used as controls. Both prostheses led to similar osteophyte formation and synovitis after a 3-month implantation period. Ingrowth to the periphery of the prostheses was found in all cases. Knees with prostheses, no matter what size, had a higher compression compliance than sham-operated knees, but energy storage was similar to normal. Knees with prostheses had a similar cartilage status to sham-operated knees, and had less cartilage degeneration on the tibia than knees with resected menisci. Overall, prosthesis size had no influence on the outcome. Three new prostheses made of coated and uncoated Teflon and Dacron were developed to find a substitute with properties closer to the normal meniscus. Only the uncoated Teflon prosthesis showed similar compression compliance to normal, and had energy storage closer to normal than the other prostheses. These material properties could lead to improved results after implantation.

Conclusions

1- Stable fixation by fibrous tissue ingrowth and protection of the tibia1 cartilage was provided using a large and small coated Dacron prosthesis. 2- Non-normal biomechanics of a large and small Dacron prosthesis led to altered joint mechanics, osteophyte formation, and synovitis. 3- The uncoated version of the Teflon prosthesis had similar compliance to the normal meniscus. All other prostheses were more compliant. 4- None of the prostheses could match the stressrelaxation of the normal meniscus, but the Teflon prostheses showed values closer to normal than the Dacron prostheses.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

مشخصه های زیست مکانیکی جایگزین های متفاوت برای منیسک داخلی خرگوش و اثر اندازه پروتز بر غضروف های زانو

Biomechanical characteristics of different artificial substitutes for rabbit medial meniscus and effect of prosthesis size on knee cartilage