Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.05a
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pp.154-157
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2002
A cyto-indentation technique was used to obtain the biomechanical compressive compliance property of an chondrocyte cell attached to glass surface, which was tried to generate joint cartilage by tissue engineering. Piezo-transducer system and dual photo-diode system were used to conduct mechanical indentation through displacement-controlled testing and the measurement of corresponding cell reaction force. The Poisson's ratio of 0.37 was quoted from other report. The compressive compliance of chondrocyte, that was determined by elastic contact theory, was 1.38${\pm}$0.057 kPa. This value is 30% higher than that of MG63 osteoblast-like cell. The cyto-indentation technique employed in this study is so precise that it can quantify the biomechanical property of single cell.
Background: Tracheal transplantation is necessary in patients with extensive tracheal stenosis, congenital lesions and other oncologic conditions but bears. many critical problems compared to other organ transplantations. The purpose of this study was to develop intestine-cartilage composite grafts for potential application in tracheal reconstruction by free intestinal graft. Material and Method: Hyaline cartilage was harvested from trachea of 2 weeks old New Zealand White Rabbits. Chondrocytes were isolated and cultured for 8 weeks. Cultured chondrocytes were seeded in the PLGA scaffolds and mixed in pluronic gel Chondrocyte bearing scaffolds and gel mixture were embedded in submucosal area of stomach and colon of 3 kg weighted New Zealand White Rabbits under general anesthesia. 10 weeks after implantation, bowels were harvested for evaluation. Result: We identified implantation site by gross examination and palpation. Developed cartilage made a good frame for shape memory. Microscopic examinations included special stain s howed absorption of scaffold and cartilage formation even though it was not fully matured. Conclusion: Intestine-cartilage composite graft could be applicable in the future as tracheal substitute and should be further investigated.
Song, Jeong Eun;Lee, Yujung;Lee, Yun Me;Cho, Sun Ah;Jang, Ji Eun;Lee, Dongwon;Khang, Gilson
Polymer(Korea)
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v.37
no.2
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pp.141-147
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2013
Poly(lactide-co-glycolic acid) (PLGA) has been widely used in the drug delivery and tissue engineering applications because of its good mechanical strength and biodegradation profile. However, cell attachment to the scaffold is low compared with that on fibrin although cells can be attached to the polymer surface. In this study, PLGA scaffolds were soaked in cells-fibrin suspension and polymerized with dropping fibrinogen-thrombin solution. Cellular proliferation activity was observed in PLGA/fibrin-seeded costal cartilage cells (CC) on 1, 3, and 7 days using the MTT assay and SEM. The effects of fibrin on the extracellular matrix (ECM) formation were evaluated using CC cell-seeded PLGA/fibrin scaffolds. The PLGA/fibrin scaffolds elicited more production of glycosaminoglycan (GAG) and collagen than the PLGA scaffold. In this study, fibrin incorporated PLGA scaffolds were prepared to evaluate the effects of fibrin on the cell attachment and proliferation in vitro and in vivo. In this result, we confirmed that proliferation of cells in PLGA/fibrin scaffolds were better than in PLGA scaffolds. The PLGA/fibrin scaffolds provide suitable environment for growth and proliferation of costal cartilage cells.
Conventional methods for fabricating three-dimensional (3-D) scaffolds have substantial limitations. In this paper, we present 3-D scaffolds that can be made repeatedly with the same dimensions using a microstereolithography system. This system allows the fabrication of a pre-designed internal structure, such as pore size and porosity, by stacking photopolymerized materials. The scaffolds must be manufactured in a material that is biocompatible and biodegradable. In this regard, we synthesized liquid photocurable biodegradable TMC/TMP, followed by acrylation at terminal ends. And also, solidification properties of TMC/TMP polymer are to be obtained through experiments. Cell adhesion to scaffolds significantly affects tissue regeneration. As a typical example, we seeded chondrocytes on two types of 3-D scaffold and compared the adhesion results. Based on these results, the scaffold geometry is one of the most important factors in chondrocyte adhesion. These 3-D scaffolds could be key factors for studying cell behavior in complex environments and eventually lead to the optimum design of scaffolds for the regeneration of various tissues, such as cartilage and bone.
Park, Kyung-Min;Joung, Yoon-Ki;Park, Ki-Dong;Lee, Sang-Young;Lee, Myung-Chul
Macromolecular Research
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v.16
no.6
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pp.517-523
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2008
A RGD (Arg-Gly-Asp) conjugated chitosan hydrogel was used as a cell-supporting scaffold for articular cartilage regeneration. Thermosensitive chitosan-Pluronic (CP) has potential biomedical applications on account of its biocompatibility and injectability. A RGD-conjugated CP (RGD-CP) copolymer was prepared by coupling the carboxyl group in the peptide with the residual amine group in the CP copolymer. The chemical structure of RGD-CP was characterized by $^1H$ NMR and FT IR. The concentration of conjugated RGD was quantified by amino acid analysis (AAA) and rheology of the RGD-CP hydrogel was investigated. The amount of bound RGD was $0.135{\mu}g$ per 1 mg of CP copolymer. The viscoelastic parameters of RGD-CP hydrogel showed thermo-sensitivity and suitable mechanical strength at body temperature for cell scaffolds (a> 100 kPa storage modulus). The viability of the bovine chondrocyte and the amount of synthesized glycosaminoglycans (GAGs) on the RGD-CP hydrogels were evaluated together with the alginate hydrogels as a control over a 14 day period. Both results showed that the RGD-CP hydrogel was superior to the alginate hydrogel. These results show that conjugating RGD to CP hydro gels improves cell viability and proliferation, including extra cellular matrix (ECM) expression. Therefore, RGD conjugated CP hydrogels are quite suitable for a chondrocyte culture and have potential applications to the tissue engineering of articular cartilage tissue.
The purpose of this study was to evacuate the effect of different types of Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) scaffolds on the formation of human auricular and septal cartilages. All of the scaffolds were formed in a tubular shape for potential application for artificial trachea or esophagus with either 110,000 g/mol PLGA. 220,000 g/mol PLGA. or a combination of both. In order to maintain the tubular shape in vivo, two methods were used. One method was inserting polyethylene tube at the center of scaffolds made of 110,000 g/mol PLGA. The other method involved combination of the two different molecular weight PLGA's. The inner surface of tubular shaped scaffold made with 110,000 g/mol PLGA was coated with 220,000 9/mol PLGA to give more mechanical rigidity. Elastic cartilage was taken from the ear of a patient aged under 20 nears old and hyaline cartilage was taken from the nasal septum. The chondrocytes were then isolated. After second passage, the chondrocytes were seeded on the PLGA scaffolds followed by in vitro culture for one week. The cells-PLGA scaffold complex were implanted subcutaneously on the back of nude mice for 8 weeks. The tissue engineered cartilages were separated from nude mice and examined histologically after staining with the Hematoxylin Eosin. The morphology of the scaffolds were examined by scanning electron microscopy. The pores were well formed and uniformly distributed in the various PLGA scaffolds. After 8 weeks in vivo culture, cartilage was well formed with 110,000 g/mol PLGA. however lumen had collapsed. In contrast. a minimal amount of neocartilage was formed with 220,000 g/mol PLGA, while the architecture of scaffold and lumen were well preserved. Elastic cartilage formed more neocartilage than hyaline. Hyaline and elastic neocartilage were well formed on 110,000 g/mol PLGA with the polyethylene tube, exhibiting mature chondrocytes and preservation of the tubular shape. It was found that 110,000 g/mol PLGA was more appropriate for cartilage formation but higher molecular weight polymer was necessary to maintain the three dimensional shape of the scaffold.
Rahman, Munsur;Cil, Akin;Johnson, Michael;Lu, Yunkai;Guess, Trent M.
Advances in biomechanics and applications
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v.1
no.3
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pp.169-185
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2014
Computational multibody models of the elbow can provide a versatile tool to study joint mechanics, cartilage loading, ligament function and the effects of joint trauma and orthopaedic repair. An efficiently developed computational model can assist surgeons and other investigators in the design and evaluation of treatments for elbow injuries, and contribute to improvements in patient care. The purpose of this study was to develop an anatomically correct elbow joint model and validate the model against experimental data. The elbow model was constrained by multiple bundles of non-linear ligaments, three-dimensional deformable contacts between articulating geometries, and applied external loads. The developed anatomical computational models of the joint can then be incorporated into neuro-musculoskeletal models within a multibody framework. In the approach presented here, volume images of two cadaver elbows were generated by computed tomography (CT) and one elbow by magnetic resonance imaging (MRI) to construct the three-dimensional bone geometries for the model. The ligaments and triceps tendon were represented with non-linear spring-damper elements as a function of stiffness, ligament length and ligament zero-load length. Articular cartilage was represented as uniform thickness solids that allowed prediction of compliant contact forces. As a final step, the subject specific model was validated by comparing predicted kinematics and triceps tendon forces to experimentally obtained data of the identically loaded cadaver elbow. The maximum root mean square (RMS) error between the predicted and measured kinematics during the complete testing cycle was 4.9 mm medial-lateral translational of the radius relative to the humerus (for Specimen 2 in this study) and 5.30 internal-external rotation of the radius relative to the humerus (for Specimen 3 in this study). The maximum RMS error for triceps tendon force was 7.6 N (for Specimen 3).
A time-dependent large deformation fracture theory is developed for application to soft biological tissues. The theory uses the quasilinear viscoelastic theory of Fung, and particularizes it to constitutive assumptions on polyvinyl-chloride (PVC) (Part I) and cartilage (Part II). This constitutive theory is used in a general viscoelastic theory by Christensen and Naghdi and an energy balance to develop an expression for the fracture toughness of the materials. Experimental methods are developed for measuring the required constitutive parameters and fracture data for the materials. Elastic stress and reduced relaxation functions were determined using tensile and shear tests at high loading rates with rise times of 25-30 msec, and test times of 150 sec. The developed method was validated, using an engineering material, PVC to separate the error in the testing method from the inherent variation of the biological tissues. It was found that the the proposed constitutive modeling can predict the nonlinear stress-strain and the time-dependent behavior of the material. As an approximation method, a pseudo-elastic theory using the J-integral concept, assuming that the material is a time-independent large deformation elastic material, was also developed and compared with the time-dependent fracture theory. For PVC. the predicted fracture toughness is $1.2{\pm}0.41$ and $1.5{\pm}0.23\;kN/m$ for the time-dependent theory and the pseudo-elastic theory, respectively. The methods should be of value in quantifying fracture properties of soft biological tissues. In Part II, an application of the developed method to a biological soft tissue was made by using bovine humeral articular cartilage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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