Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)TiHo eLib

Entwicklung eines 3D-gedruckten degradablen Polycaprolacton-basierten Implantates für die chirurgische Versorgung chronischer Sehnenrupturen

Chronische Sehnenrupturen stellen, vor allem in der älteren Bevölkerung, häufige Verletzungen im Bereich der Orthopädie dar. Neben traditionellen Nahtverfahren, werden oft zusätzlich Implantatmaterialien zur Versorgung der chronischen Rupturen benötigt, welche mit großen Retraktionen und degenerativen Veränderungen einhergehen. Implantate, die die benötigten mechanischen und biologischen Eigenschaften aufweisen sind momentan nicht verfügbar. Aus diesem Grund wurden in der hiesigen Studie 3D-gedruckte Matten als Ausgangsmaterial für Implantate hergestellt, mit Polycaprolacton als Grundwerkstoff. Zwei verschiedene Polycaprolactone wurden eingesetzt, eines in einem chemischen Reinheitsgrad und eines in einem medizinischen Reinheitsgrad. Beide wurden mechanisch, mittels einer Materialtestungsmaschine, und biologisch, in der Zellkultur mit mesenchymalen Stammzellen, charakterisiert. Das PCL des chemischen Reinheitsgrades wies bessere Haltekräfte auf, in der Zellkultur zeigte aber das PCL in medizinischem Reinheitsgrad einen besseren Verlauf der Viabilität (ermittelt mit WST-8 Test) über die Zeit. Deshalb und wegen einer späteren leichteren Übertragbarkeit in die Klinik wurde für weitere Versuche mit dem medizinisch reinem PCL weitergearbeitet.

Eine Designadaptation der 3D-gedruckten PCL-Matten konnte die mechanischen Eigenschaften leicht, aber nicht signifikant verbessern.

Zur Bewertung der generellen Zytotoxizität der PCL-Matten in medizinischem Reinheitsgrad wurden L929-Mausfibroblasten eingesetzt. Es zeigte sich, dass die PCL-Matten nach 3 Tagen knapp unter 70 % der Zellkontrolle lagen, nach 7 Tagen war dieser Effekt nicht mehr feststellbar.

Zur Erhöhung der Hydrophilie und dadurch der Zytokompatibilität wurden 3D-gedruckte PCL-Matten plasmabehandelt. Kontaktwinkel wurden mittels eines Kontaktwinkelmessgeräts ermittelt. Es zeigte sich eine deutliche, teils signifikante, Verringerung des Kontaktwinkels für plasmabehandelte Matten. Zellkulturtests mit mesenchymalen Stammzellen zeigten keinen deutlichen Unterschied zu den unbehandelten Matten in der Vitalität. Eine Färbung mit DAPI und Phalloidin zeigte dennoch einen leicht erhöhten Zellbewuchs.

Um die Zytokompatibilität weiter zu erhöhen, wurden plasmabehandelte Matten mit Fibronektin bzw. Kollagen I beschichtet. Dies erzeugte eine signifikante Erhöhung der Zellviabilität im WST-8 Test in der Fibronektingruppe. Für die Kollagengruppe war hier ein deutlicher Trend zu höheren Werten erkennbar. In der DAPI-Phalloidin Färbung zeigte die Kollagengruppe die beste Zellverteilung und -morphologie.

Als weiteres wurde ein neuartiges biomechanisches Testsystem an Schafsehnen etabliert: Die digitale Bildkorrelation (DIC). Der Einsatz des Systems auf nativen Sehnen war möglich. Dehnungen konnten ermittelt werden. Weitere Adaptationen des Systems, auch für die Anwendung an verändertem Sehnengewebe, sind noch vonnöten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung PCL-basierter Implantate durch 3D-Druck möglich war. Eine Erhöhung der Biokompatibilität durch verschiedene Verfahren wie Plasmabehandlung und Proteinbeschichtung konnte erreicht werden. Um für einen späteren Einsatz bei chronischen Sehnenrupturen wirklich Einsatz finden zu können, werden weitere Anpassungen, vor allem zur Erhöhung der mechanischen Haltekräfte, vonnöten sein.

Chronic tendon ruptures are common disorders in the orthopedic field, especially in the elderly population. In addition to traditional suturing techniques, implant materials are often required to treat chronic ruptures, which are associated with large retractions and degenerative changes. Implants with the required mechanical and biological properties are currently not available. For this reason, 3D-printed implants were produced in this study using polycaprolactone as basic material. Two different polycaprolactones were used, one in a chemical grade purity and one in a medical grade purity. Both were characterized mechanically, using a material testing machine, and biologically, in cell culture with mesenchymal stem cells. The PCL in the chemical grade purity showed higher forces, but in cell culture the PCL in the medical grade purity showed a better trend of viability (determined with the WST-8 test) over time. For this reason, and because of easier transfer to the clinic, this PCL was used for further experiments.

A design adaptation of the 3D-printed PCL mats slightly improved the mechanical properties, but not significantly.

L929 mouse fibroblasts were used to evaluate the general cytotoxicity of the PCL mats in medical grade purity. It was found that the PCL mats were below 70 % of cell control after 3 days, after 7 days this effect was no longer detectable.

To increase hydrophilicity and thereby cytocompatibility, 3D-printed PCL mats were plasma-treated. Contact angles were determined using a contact angle measuring device. A clear, partly significant, reduction of the contact angle for plasma-treated mats was found. Cell culture tests with mesenchymal stem cells showed no significant difference in viability compared to the untreated mats. Nevertheless, staining with DAPI and phalloidin showed slightly increased cell growth.

To further increase cytocompatibility, plasma-treated mats were coated with fibronectin and collagen I, respectively. This produced a significant increase in cell viability in the WST-8 test for the fibronectin group. For the collagen group, there was a clear trend towards higher values. In the DAPI-phalloidin staining, the collagen group showed the best cell distribution and morphology.

A novel biomechanical test system was also established on sheep tendons: Digital Image Correlation (DIC). It was possible to use the system on native tendons. Strains could be determined. Further adaptations of the system, also for use on altered tendon tissue, are still needed.

In summary, it was possible to produce PCL-based implants by 3D printing. An increase in biocompatibility through surface modifications such as plasma treatment and protein coating could be achieved. In order to find application in chronic tendon ruptures in the future, further adaptations will be necessary, especially to increase the mechanical strength.

Cite

Citation style:
Could not load citation form.

Access Statistic

Total:
Downloads:
Abtractviews:
Last 12 Month:
Downloads:
Abtractviews:

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export