Tendon-kemik arayüzü için sürekli kademeli kompozit hücre iskelesi üretimi ve uygulaması

Abstract

Tendon yaralanmaları en yaygın travma çeşitleri arasında yer almaktadır ve sadece A.B.D.'de yılda 250.000'den fazla rotator manşet tendon onarımının yapıldığı bilinmektedir. Türkiye'de ise bu tür yaralanmalar yetişkin popülasyonun %26'ya varan kısmında görülen omuz rahatsızlıklarının %70'ini oluşturmaktadır. Tendon dokusu, damarlanmanın zayıf olması ve geniş ölçekli hareket kabiliyeti sebebiyle kendi kendini rejenere etmede yetersiz kalmaktadır. Problemin giderilebilmesi için güncel klinik yaklaşım, tendon greftlerini mekanik olarak kemiğe tutturmak olup, bu uygulamada, ameliyat sonrası %90'a varan tekrarlama görülmektedir. Ayrıca bu uygulamalar, gerçek dokuda var olan hiyerarşik yapıyı yeniden oluşturamamaktadır. Bulgulara göre, doğal tendon-kemik arayüzü yapısal olarak tendon, fibrokıkırdak ve kemik olmak üzere farklı türdeki üç dokunun birinden diğerine sürekli kademeli olarak geçişinden oluşmaktadır. Bu bilgilerden yola çıkarak, bu çalışmanın amacı elektro eğirme yöntemiyle, içinde hidroksiapatit ve büyüme hormonlarının kademeli olarak değiştiği polikaprolakton bazlı hücre iskeleleri üretmek ve bu hücre iskeleleri üzerinde insan kemik iliğinden elde edilecek kök hücre davranışlarını incelemek olarak belirlenmiştir. Bileşenleri kademeli olarak değişen hücre iskelesi, geleneksel katmanlı hücre iskelesi yaklaşımından belirgin bir farklılık göstermektedir. Bulgular incelendiğinde, bu çalışmada üretilen hücre iskelelerinin, aynı tendon-kemik arayüzünde olduğu gibi fiber mat kalınlığı boyunca doğrusal değişen hidroksiapatit konsantrasyonuna sahip olduğu görülmektedir. Hidroksiapatit, polikaprolakton fiberler içine ağırlıkça %20 oranında yedirildiğinde, fiber çapı 361±9 nm'den, 459±21 nm'ye çıkmış, temas açısı 120±3°'den 115±1°'ye düşmüştür. Yapılan mekanik testler sonucunda ise sadece polikaprolakton içeren hücre iskelesinin dayanabileceği maksimum yük 7,5±1,7N, %16 hidroksiapatit içeren hücre iskelelerinin dayanabileceği maksimum yük ise 11,6±1,3N olarak ölçülmüştür. Kopma gerinimleri de sırasıyla 0,12±0,02 mm/mm, 0,18±0,02 mm/mm bulunmuştur. Kontrollü salım çalışmaları sonuçları, bağ doku büyüme faktörünün (CTGF) ve dönüştürücü büyüme faktörü-β3 (TGFβ3)'ün 28.gün sonunda sırasıyla %27±7 ve %81±25 salındığını göstermektedir. Hücre proliferasyonu ve kolajen üretiminde ise hücre iskelesi tipine bağlı bir değişim gözlemlenmemiştir. Bu bulguların, biyolojik greft fiksasyonunu hedeflemiş biyomimetik doku mühendisliği teknolojileri için in-vitro düzeyde faydalı bilgiler sağlayacağı düşünülmektedir.

Rotator cuff tears are the most common injuries of the shoulder, with over 250,000 repairs performed anually in the U.S., only. In Turkey, up to 26% of the adult population suffer from shoulder related problems, and rotator cuff tears constitute %70 of this population. Tendon tissue has limited self-regenerative capacity due to poor vasculature and wide range of motion ability. Tendon injuries generally exist at the tendon-bone interface, and current clinical approach for tendon repair is mechanical fixation, which leads to as high as 90% recurrence rates. In addition, repaired tendon site is unable to form the hierarchical physical and biological structure of the native tissue. Native tendon-bone interface is composed of three different yet continuous layers of tendon, fibrocartilage (unmineralized and mineralized) and bone tissues. Therefore, this study aims at i) fabricating electrospun polycaprolactone scaffolds also enriched with hydroxyapatite and growth hormones in a graded manner, and ii) investigating human stem cell behavior on these scaffolds. This type of graded scaffold demonstrates significant deviation from conventional multi-layered scaffold approach. Graded scaffolds fabricated in this study were demonstrated to contain linearly changing hydroxyapatite concentration as a function of scaffold thickness, a distribution typically observed in native tendon-bone interface. Mixing polycaprolactone and hydroxyapatite nanoparticles (20% by weight) led to an increase in fiber diameter from 361±9 nm to 459±21 nm, and a decrease in contact angle from 120±3° to 115±1°. In biomechanical tests, maximum loads were found as 7.5±1.7N for polycaprolactone only scaffolds, and 11.6±1.3N for scaffolds with 16% hydroxyapatite. Strain at break values were found to be 0.12±0.02 mm/mm and 0.18±0.02 mm/mm, respectively. Release studies showed a continuous release of connective tissue growth factor (CTGF) and transforming growth factor-β3 (TGF- β3) over a period of 28 days. At the end of day 28, %27±7 of CTGF and %81±25 of TGF-β3 were released from nanofiber scaffolds. No effect of scaffold type was observed for proliferation of and collagen production by mesenchymal stem cells. These in-vitro findings are expected to provide significant inputs for biologic graft fixation.