An experimental model to mimic the mechanical behavior of a scaffold in a cartilage defect

Abstract

[EN] Abstract

The main purpose of this thesis is the design and characterization of an experimental articular cartilage model. The in vitro model is composed of a macro and micro- porous Polycaprolactone scaffold with a Poly(Vinyl Alcohol) filling. The scaffold/hydrogel construct has been subjected to repeating number of freezing and thawing cycles in order to crosslink the hydrogel inside the scaffold's pores. The Poly(Vinyl Alcohol) resembles the growing cartilaginous tissue inside the scaffolds pores, as it gets denser and stiffer for each cycle of freezing and thawing. The in vitro model allows studying a variety of characteristics of the scaffold and hydrogel, revealing interesting features. The importance of water flow on the mechanical properties is studied, so as the influence of micro-porosity. It can be seen that the mechanical properties of the porous scaffolds are influenced in distinct ways by the hydrogel density and micro-porosity of the scaffold. The permeability of the scaffolds is studied and is seen independent of crosslinking density of the hydrogel inside the porous scaffolds. The experimental cartilage model has also been applied on a macro porous acrylic scaffold. The results show that the water has different effect on the mechanical properties, for macro, or macro and micro-porous scaffolds. The in vitro cartilage model has elastic modulus, aggregate modulus and permeability values in the same order as human articular cartilage. The model is useful to predict the mechanical behavior of porous scaffolds in vivo. A scaffold implant device for animal studies has been designed based on a previous patent of the research group, and implanted in two different in vivo trials in sheep. The results show that the fixation and anchoring to the subchondral bone improve the tissue repair and diminish alterations in the subchondral bone.

¿

[ES] Resumen

El objetivo principal de esta tesis doctoral es el diseño y caracterización de un modelo de cartílago articular experimental. El modelo in vitro se compone de un scaffold micro- y macroporoso de Policaprolactona con un relleno de Poli(Vinil Alcohol). El constructo scaffold/hidrogel ha sido sometido a ciclos consecutivos de congelación y descongelación con objeto de entrecruzar el hidrogel dentro de los poros del scaffold. El Poli(Vinil Alcohol) mimetiza al tejido de cartílago que se regenerará en los poros, ya que en cada ciclo de congelación y descongelación se vuelve más denso y duro. El modelo in vitro permite estudiar una gran variedad de características del scaffold e hidrogel, revelando fenómenos interesantes para la ingeniería tisular. Se ha estudiado la importancia del flujo de agua a través del scaffold en las propiedades mecánicas, así como la influencia de la microporosidad. Se ha podido constatar que la densidad del hidrogel y la microporosidad influyen de distinta forma en las propiedades mecánicas de los scaffolds porosos. Se ha estudiado la permeabilidad de los scaffolds, que ha resultado ser independiente de la densidad de entrecruzamiento del hidrogel dentro de sus poros. El modelo experimental de cartílago se ha aplicado también a un scaffold macroporoso acrílico. Los resultados muestran que el agua tiene un efecto distinto en las propiedades mecánicas de los scaffolds macroporosos y en los micro- macroporosos. El modelo de cartílago in vitro tiene valores del modulo elástico, módulo agregado y permeabilidad que son del mismo orden de magnitud que los del cartílago articular humano. El modelo permite predecir el comportamiento mecánico in vivo de scaffolds porosos. Se ha diseñado un dispositivo de implante de scaffold para experimentos en animales basado en una patente del grupo de investigación, que ha sido implantado en dos ensayos in vivo diferentes en ovejas. Los resultados muestran que la fijación y anclaje al hueso subcondral tiene un gran papel en la reparación del tejido.

[CA] Resum

L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral és el disseny i caracterització d'un model de cartílag articular experimental. El model in vitro es compon d'un scaffold micro- i macroporós de Policaprolactona amb un farciment de Poli(Vinil Alcohol). El constructe scaffold/hidrogel ha estat sotmès a cicles consecutius de congelació i descongelació amb l'objectiu d'entrecreuar l'hidrogel dins del porus del scaffold. El Poli(Vinil Alcohol) mimetitza al teixit de cartílag que es regenerarà en el porus, ja que en cada cicle de congelació i descongelació es torna més dens i dur. El model in vitro permet estudiar una gran varietat de característiques del scaffold i hidrogel, posant de manifest fenòmens interessants per a l'enginyeria tissular. S'ha estudiat la importància del flux d'aigua a través del scaffold en les propietats mecàniques, així com la influència de la microporositat. S'ha pogut constatar que la densitat de l'hidrogel i la microporositat influeixen de distinta manera en les propietats mecàniques dels scaffolds porosos. S'ha estudiat la permeabilitat dels scaffolds, que ha resultat ser independent de la densitat d'entrecreuament de l'hidrogel dins dels seus porus. El model experimental de cartílag s'ha aplicat també a un scaffold macroporós acrílic. Els resultats mostren que l'aigua té un efecte distint en les propietats mecàniques dels scaffolds macroporosos i en els micro- macroporosos. El model de cartílag in vitro té valors del mòdul elàstic, mòdul agregat i permeabilitat que són del mateix ordre de magnitud que els del cartílag articular humà. El model permet predir el comportament mecànic in vivo de scaffolds porosos. S'ha dissenyat un dispositiu d'implant de scaffold per a experiments en animals basat en una patent del grup d'investigació, que ha segut implantat en dos assaigs in vivo diferents en ovelles. Els resultats mostren que la fixació i ancoratge a l'os subcondral té un gran paper en la reparació del teixit.