New design proposal to mimic the joint structure between bone and hyaline cartilage

Author

Mas Vinyals, Anna

Director

Borrós i Gómez, Salvador,

Date of defense

2018-12-14

Pages

167 p.



Department/Institute

Universitat Ramon Llull. IQS

Abstract

En el disseny de dispositius mèdics existeixen diversos casos en els quals és necessària la utilització de superfícies bioactives per aconseguir la integració òptima d’un implant amb el teixit que l’envolta. L’enginyeria de superfícies planteja diferents solucions, tot i així, per algunes aplicacions, l’obtenció d’una unió íntima entre el teixit i l’implant encara és un repte clínic. En aquest treball, presentem una tècnica que permet obtenir superfícies biomimètiques en qualsevol substrat que pugui ser sotmès a modificació per plasma. Com a proba de concepte, hem aplicat la tecnologia desenvolupada en l’obtenció d’un scaffold heterogeni per la regeneració del teixit osteocondral, amb un gran potencial per ser utilitzat com a teràpia regenerativa. Un dels grans reptes en la regeneració osteocondral, és assolir un grau elevat de semblança amb l’estructura articular, des de l’òs subcondral fins a la superfície articular. La nostra metodologia permet la immobilització d’un hidrogel que imita el teixit cartilaginós a la superfície d’una plataforma bioceràmica, la qual reprodueix el teixit ossi. Aquesta última, actuarà com a suport mecànic i punt d’ancoratge a l’òs subcondral, a la vegada que proporcionarà un reservori de ions de calci i de fosfat que ajudaran a la creació del gradient de duresa present en les articulacions. Així doncs, en aquesta tesi hem treballat en el disseny de les diferents parts que conformaran el scaffold. En primer lloc, per tal d’aprofundir en la creació del gradient de duresa, hem estudiat la bioactivitat de diferents substituts ossis bioceràmics comercials, els quals son candidats potencials per ser utilitzats en la construcció del scaffold. A continuació, hem validat la viabilitat del recobriment polimèric obtingut per PECVD en substrats bioceràmics i hem demostrat que no compromet la seva bioactivitat. A més, hem demostrat que la modificació superficial permet l’obtenció d’una interfície estable, que no es veu alterada per canvis fisiològics i permet l’autoensamblatge de l’hidrogel. Els estudis in vitro realitzats demostren que la tecnologia d’immobilització preserva la viabilitat cel·lular, i que la formulació permet la migració cel·lular a més de proporcionar un entorn adequat per la diferenciació condrogènica i osteogènica de cèl·lules mare mesenquimals.


En el diseño de dispositivos médicos existen numerosos casos en los que es necesaria la utilización de superficies bioactivas para lograr la integración óptima de un implante con el tejido que le rodea. La ingeniería de superficies propone diferentes soluciones, sin embargo, en determinadas aplicaciones, la obtención de una unión íntima entre el tejido y el implante aún es un reto clínico. En el presente trabajo, presentamos una técnica que permite la obtención de superficies biomiméticas en cualquier sustrato que pueda ser sometido a modificación por plasma. Como prueba de concepto, hemos aplicado la tecnología desarrollada en la obtención de un scaffold heterogéneo para la regeneración del tejido osteocondral, con un gran potencial para ser usado como terapia regenerativa. Uno de los grandes retos en la regeneración osteocondral, es lograr un grado elevado de semejanza con la estructura articular, desde el hueso subcondral hasta la superficie articular. Nuestra metodología permite la inmovilización de un hidrogel que imita el tejido cartilaginoso en la superficie de una plataforma bioceràmica, la cual reproduce el hueso. Ésta última, actuará como soporte mecánico y punto de anclaje al hueso subcondral, a la vez que proporcionará un reservorio de iones de calcio y fosfato que ayudarán en la creación del gradiente de dureza presente en las articulaciones. Así pues, en esta tesis hemos trabajado en el diseño de las diferentes partes que conformaran el scaffold. En primer lugar, para profundizar en la creación del gradiente de dureza, hemos estudiado la bioactividad de diferentes sustitutos óseos biocerámicos comerciales, los cuales son candidatos potenciales para ser utilizados en la construcción del scaffold. A continuación, hemos validado la viabilidad del recubrimiento polimérico obtenido por PECVD en sustratos biocerámicos y hemos demostrado como no compromete su bioactividad. Además, hemos demostrado como la modificación superficial permite la obtención de una interfaz estable, que no se altera por cambios fisiológicos, la cual permite el autoensamblaje del hidrogel. Los estudios in vitro realizados demuestran que la tecnología de inmovilización preserva la viabilidad celular, y que la formulación permite la migración celular además de proporcionar un entorno adecuado para la diferenciación condrogénica y osteogénica de células madre mesenquimales.


In medical device engineering, there are several cases where there is an imperative need of obtaining bioresponsive surfaces to achieve an optimal integration of a certain biomaterial with the surrounding tissue. Surface engineering has provided different approaches, however for certain applications obtaining an intimate bonding between the tissue and the implant remains a clinical challenge. In this work, we present a newly developed technique that allows the obtention of biomimetic surfaces onto any substrate that can be subject to plasma modification. As a proof of concept, we have applied the technology to obtain a heterogeneous scaffold for osteochondral repair, which has a great potential to be used as regenerative therapy. One of the great challenges in osteochondral repair is achieving a high degree of mimicry of the whole joint structure, from the subchondral bone to the surface of hyaline cartilage. Our methodology allows the immobilization of a cartilage-like hydrogel onto a bone-like bioceramic platform by means of a polymeric coating. The bioceramic acts not only as mechanical support and anchoring point to the subchondral bone, but also it acts as a reservoir of calcium and phosphate ions, which through diffusion help in the creation of the stiffness gradient present in joints. Thus, in the present thesis, we have worked on the design of the different parts that will form the osteochondral heterogeneous scaffold. First, to gain insight into the stiffness gradient creation, we have studied the bioactivity of different commercially available bioceramic bone substitutes, which are potential candidates to be used as bone-like platform. Next, we have validated the viability of the polymeric coating obtained through PECVD in this type of biomaterials and shown how it does not compromise their bioactive properties. Moreover, we have demonstrated how the designed surface modification allows the obtention of a stable interface, which is not disrupted by physiological changes, that enables the subsequent self-assembly of a cartilage-like hydrogel. In vitro studies show how our immobilizing technology preserves cell viability, and that our hydrogel formulation enables cell migration as well as it provides a suitable environment for both chondrogenic and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells.

Keywords

Biomaterials; Surface engineering; Collagen; Hydrogel; Cartilage regeneration; Osteochondral

Subjects

54 - Chemistry. Crystallography. Mineralogy; 57 - Biological sciences in general; 61 - Medical sciences

Knowledge Area

Ciències naturals, químiques, físiques i matemàtiques

Documents

Tesi_Anna_Mas.pdf

3.295Mb

 

Rights

ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.

This item appears in the following Collection(s)