In this study, the frictional behaviors of articular cartilage against a Co-Cr alloy in two types of kinematic motions were compared. Cartilage pins were punched from the femoral condyles of porcine knee joints, and Co-Cr alloy disks were machined from orthopedic-grade rods and polished to a surface roughness ($R_a$) of 0.002. Friction tests were conducted by using a pin-on-disk-type tribotester in phosphate buffered saline (PBS) under pressures of 0.5, 1, and 2 MPa. All tests were performed in the repeat pass rotational (ROT) and the linear reciprocal (RCP) sliding motions with the same sliding distance and speed of 50 mm/s. The coefficients of friction of the cartilage against the Co-Cr alloy increased with the sliding time in both kinematic motions for all contact pressures. The maximum coefficients of friction in RCP motion were 1.08, 2.82, and 1.96 times those in ROT motion for contact pressures of 0.5, 1, and 2 MPa, respectively. As the contact pressure increased, the coefficients of friction gradually increased in RCP motion, whereas they decrease and then increased in ROT motion. The interaction between the directional change of the shear stress and the orientation of collagen fiber in the superficial layer of the cartilage could affect the change in the frictional behaviors of the cartilage. A large difference in the coefficients of friction between the two kinematic motions could be interpreted as differences in the directional change of shear stress at the contact surface.
Lim, Erh-Hsuin;Sardinha, Jose Paulo;Myers, Simon;Stevens, Molly
Archives of Plastic Surgery
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제40권6호
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pp.676-686
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2013
Background To overcome the potential drawbacks of a short half-life and dose-related adverse effects of using active transforming growth factor-beta 1 for cartilage engineering, a cell-mediated latent growth factor activation strategy was developed incorporating latent transforming growth factor-${\beta}$1 (LTGF) into an electrospun poly(L-lactide) scaffold. Methods The electrospun scaffold was surface modified with NH3 plasma and biofunctionalised with LTGF to produce both random and orientated biofunctionalised electrospun scaffolds. Scaffold surface chemical analysis and growth factor bioavailability assays were performed. In vitro biocompatibility and human nasal chondrocyte gene expression with these biofunctionalised electrospun scaffold templates were assessed. In vivo chondrogenic activity and chondrocyte gene expression were evaluated in athymic rats. Results Chemical analysis demonstrated that LTGF anchored to the scaffolds was available for enzymatic, chemical and cell activation. The biofunctionalised scaffolds were non-toxic. Gene expression suggested chondrocyte re-differentiation after 14 days in culture. By 6 weeks, the implanted biofunctionalised scaffolds had induced highly passaged chondrocytes to re-express Col2A1 and produce type II collagen. Conclusions We have demonstrated a proof of concept for cell-mediated activation of anchored growth factors using a novel biofunctionalised scaffold in cartilage engineering. This presents a platform for development of protein delivery systems and for tissue engineering.
Clinical application of the cartilage formed by tissue engineering is of no practical use due to the failure of long-term structural integrity maintenance. One of the important factors for integrity maintenance is the biomaterial for a scaffold. The purpose of this study is to evaluate the difference between polylactic-co-glycolic acids (PLGA) and chitosan as scaffolds. Human auricular chondrocytes were isolated, cultured, and seeded on the scaffolds, which were implanted in the back of nude mice. Eight animals were sacrificed at 4, 8, 12, 16, and 24 weeks after implantation respectively. In gross examination and histological findings, the volume of chondrocyte-PLGA complexes was decreased rapidly. The volume of chondrocyte-chitosan complexes was well maintained with a slow decrease rate. The expression of type II collagen protein detected by immunohistochemistry and western blots became weaker with time in the chondrocyte-PLGA complexes. However, the expression in the chondrocyte-chitosan complexes was strong for the whole period. Collagen type II gene expressions using RT-PCR showed a similar pattern. In conclusion, these results suggest that chitosan is a superior scaffold in cartilage tissue engineering in terms of structural integrity maintenance. It is expected that chitosan scaffold may become one of the most useful scaffolds for cartilage tissue engineering.
Purpose: Collagen is the principal structural biomolecule in cartilage extracellular matrix, which makes it a logical target for cartilage engineering. In this study, porous type I collagen scaffolds were cross-linked using dehydrothermal(DHT) treatment and/or 1-ethyl-3-(3-dimethyl aminopropyl) carbodiimide(EDC), in the presence and absence of chondroitin-6-sulfate(CS) for cartilage regeneration. Methods: Cartilage defects were created in the proximal part of the ear of New Zealand rabbits. Four types of scaffolds(n=4) were inserted. The types included DHT cross-linked(Group 1), DHT and EDC cross- linked(Group 2), CS added DHT cross-linked(Group 3), and CS added DHT and EDC cross-linked(Group 4). Histomorphometric analysis and cartilage-specific gene expression of the reconstructed tissues were evaluated respectively 4, 8, and 12 weeks after implantation. Results: The largest quantity of regenerated cartilage was found in DHT cross-linked groups 1 and 3 in the 8th week and then decreased in the 12th week, while calcification increased. Calcification was observed from the 8th week and the area increased in the 12th week. Group 4 was treated with EDC cross-linking and CS, and the matrix did not degrade in the 12th week. Cartilage-specific type II collagen mRNA expression increased with time in all groups. Conclusion: CS did not increase chondrogenesis in all groups. EDC cross-linking may prevent chondrocyte infiltration from the perichondrium into the collagen scaffold.
Optical Coherence Tomography (OCT) is an important noninvasive medical imaging technique that can reveal subsurface structures of biological tissue. OCT has demonstrated a good correlation with histology in sufficient resolution to identify morphological changes in articular cartilage to differentiate normal through progressive stages of degenerative joint disease. Current OCT systems provide individual cross-sectional images that are representative of the tissue directly under the scanning beam, but they may not fully demonstrate the degree of degeneration occurring within a region of a joint surface. For a full understanding of the nature and degree of cartilage degeneration within a joint, multiple OCT images must be obtained and an overall assessment of the joint surmised from multiple individual images. This study presents frequency domain three-dimensional (3-D) OCT imaging of degenerative joint cartilage extracted from bovine knees. The 3-D OCT imaging of articular cartilage enables the assembly of 126 individual, adjacent, rapid scanned OCT images into a full 3-D image representation of the tissue scanned, or these may be viewed in a progression of successive individual two-dimensional (2-D) OCT images arranged in 3-D orientation. A fiber-based frequency domain OCT system that provides cross-sectional images was used to acquire 126 successive adjacent images for a sample volume of $6{\times}3.2{\times}2.5\;mm^3$. The axial resolution was $8\;{\mu}m$ in air. The 3-D OCT was able to demonstrate surface topography and subsurface disruption of articular cartilage consistent with the gross image as well as with histological cross-sections of the specimen. The 3-D OCT volumetric imaging of articular cartilage provides an enhanced appreciation and better understanding of regional degenerative joint disease than may be realized by individual 2-D OCT sectional images.
Previous sucessful results of neocartilage formation using tissue engineering technique in immunocompromised nude mouse xenograft model were reported. For clinical application, autogenous cell is preferrable to allogenic or xenogenic cell for circumvention of immune rejection. This study evaluates the feasibility of producing a engineered cartilage using autogenous chondrocytes. Chondrocytes were isolated from the auricular catilage of New Zealand White rabbit and seeded onto PGA polymer coated with polylactic acid in round pattern(diameter 0.7 cm, thickness 0.1 cm) at a concentration $7{\times}10^7$ chondrocytes per $cm^3$. Each Autogenous Cell-polymer constructs were implanted subcutaneously into the left side of dorsum of twelve Rabbits. Polymer templates not containg cells were implanted into the right side as a control. Fifteen rabbits were sacrificed at the following intervals: 5 rabbits at nine weeks, 7 rabbits at twelve weeksNew autogenous cartilage formation which retained the approximate dimensions of origianl round polymer template in 11 of 12 cell seeded implants. Histological examination using hematoxyline and eosin stain revealed vast majority of implants developed into mature cartilage. This study opens up the possibility of autologus cell transplant to construct autogenous cartilge.
연골 영역화는 골관절염의 진단이나 치료를 위해 중요하지만, 모양이 얇고 의료영상 내에서 주변 조직과의 명암 차이가 크지 않기 때문에 현재까지 전문가가 많은 시간과 노력을 들여 수동으로 하고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 3차원 자기공명(Magnetic Resonance : MR)영상 내에서 연골을 자동으로 영역화하는 기법을 제안한다. 제안하는 기법은 전문가에 의해 수동으로 영역화된 소수의 의료영상을 학습 데이터베이스로 하여 우선 연골을 지역적인 부분(local patch)들로 분할하여 부분별로 영역화한 후, 부분별 결과들을 취합하고 정제하는 과정으로 이루어진다. 연골 영역화를 위해 먼저 위치와 밝기 값의 외관정보 (appearance)를 이용하여 뼈와 연골의 경계(bone-cartilage interface)를 추출해내고, 이 경계를 기준으로 하여 연골이 포함되는 주변 영역을 일정한 크기의 패치로 분할한다. 다음, 분할된 패치들의 정보를 이용해, 패치마다 형상 사전지식(shape prior)과 외관 사전지식(appearance prior)을 얻어내고 두 사전지식 간의 비율을 적응적으로 결정한다. 이후 패치마다 사전지식 정보를 통해 에너지를 정의하고, 그래프 컷(Graph Cut) 기법을 통해 이 에너지를 최소화하는 최적의 영역화 결과를 도출한다. 마지막으로 지역적으로 얻어진 영역화 결과들을 모양 사전지식으로 하여 전체적인 연골에 대해 전역적 개선 과정을 수행한다. 실험 결과를 통해 제안하는 자동 영역화 기법으로 임상적으로 유용한 영역화 결과를 얻을 수 있음을 제시한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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