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Main Title: Design and characterization of multiscale hybrid scaffolds for endochondral ossification
Translated Title: Design und Charakterisierung von Multiskalen-Hybridscaffolds für die enchondrale Ossifikation
Author(s): Tortorici, Martina
Advisor(s): Zehn, Manfred W.
Referee(s): Zehn, Manfred W.
Duda, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Critical size defects in bone and osteochondral defects in articular cartilage do not heal without clinical intervention. Current clinical treatments of both defect types are associated with strong limitations, which could be addressed by the development of tissue engineering (TE) treatment strategies. Collagen scaffolds with a highly aligned architecture have been previously shown to induce bone formation by endochondral ossification in large bone defects in vivo. The establishment of the endochondral ossification process has been proven to depend on the aligned architecture of the collagen scaffolds, without the need for the inclusion of additional biochemical factors. However, the direct clinical application of these collagen scaffolds is hindered by their extremely low stiffness (low kPa range), which determines the easy alteration of the aligned architecture by means of tissue forces and extracellular matrix deposition within the scaffold pores. Here, the limitations of the collagen scaffolds with highly aligned architecture are addressed by incorporation of a stiffer synthetic support structure, generating multiscale hybrid scaffolds. The aim of the support structure is not limited to the improvement of the mechanical stiffness of the scaffold system at tissue level, but it extends also to the steering of the tissue regeneration process by means of different scaffold-dependent mechanical cues, which could be achieved by different types of support structures, e.g. a stiff and a compliant one. In fact, the development of bone through endochondral ossification happens by first establishing a cartilaginous template, which is then mineralized. Moreover, the formation of bone and cartilage has been associated to mechanical stimuli of lower and higher magnitude, respectively. Therefore, mechanical cues determined by the stiffness at tissue level of the hybrid scaffolds are intended to be used to guide tissue formation towards either bone or cartilage. The successful establishment of this approach would enable the use of controlled mechanics for applications beyond bone defect healing, e.g. in the treatment of osteochondral defects. In this thesis, a stiff and a compliant support structure to be included in the hybrid scaffolds were designed. Thereafter, the production of the support structures by selective laser sintering from poly(ε-caprolactone) was optimized in terms of material choice and resulting support structure properties. Moreover, stiff and compliant support structure architectures with significant differences in stiffness and fatigue resistance in in vivo-like conditions were designed. Subsequently, stiff and compliant hybrid scaffolds were produced and characterized in terms of morphology of the collagen walls, mechanical properties, and in vitro cell-material interactions. Concurrently, the ideal mechanical and architectural properties of scaffolds for osteochondral defect regeneration were here investigated by means of a computational model.
Die Heilung von großen Knochendefekten, sowie osteochondralen Defekten ist gegenwärtig stets auf eine klinische Intervention angewiesen. Allerdings weisen derzeitige Behandlungsmethoden von beiden Defekten erhebliche Limitationen auf. Die Entwicklung von neue Methoden basierend auf „Tissue Engineering“ (TE) könnten dazu beitragen, diese Limitationen auszugleichen. Für kollagen-basierte Biomaterialien mit einer gerichteten Porenstruktur wurde kürzlich gezeigt, dass sie eine endochondrale Ossifikation anregen können. Die Implantation dieses Biomaterials in einen großen Knochendefekt im Femur der Ratte führte zu einer Knochenbildung, die rein auf die Architektur des Materials zurückzuführen ist und ohne die zusätzliche Behandlung mit biochemischen Faktoren auskommt. Der Nachteil dieser Biomaterialien ist allerdings ihre extrem geringe mechanische Stabilität resultierend aus einer niedrigen Steifigkeit. Diese Eigenschaft macht die direkte Anwendung dieser Scaffolds in großen Knochendefekten zunächst problematisch, da die gerichtete Porenstruktur durch die im Gewebe vorhandenen mechanischen Kräfte verloren gehen kann. Ziel dieser Arbeit war es, diese Limitation des Kollagenscaffolds durch eine zusätzliche Inkorporation einer synthetischen Stützstruktur mit höherer Steifigkeit zu überwinden und dadurch einen Hybridscaffold mit multiskalaren Eigenschaften zu entwickeln. Die Stützstruktur sollte hierbei nicht nur allein die mechanische Stabilität des Scaffolds verbessern, sondern auch je nach mechanischem Stimuli entweder den Heilungsprozess nach Knochen- oder Knorpelbildung durch endochondrale Ossifikation abstoppen. Dies hat den Hintergrund, dass die Gewebeeigenschaften in Entwicklung von Knochen und Knorpelgewebe in vivo mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften assoziiert sind. In diesem Projekt wurden die Zielgewebe-spezifischen mechanischen Stimuli durch unterschiedliche Designs, und damit auch unterschiedlichen Steifigkeiten (z.B. steif und weich), der Stützstrukturen erreicht. Wäre diese Methode erfolgreich, könnten die Hybdriscaffolds als Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe, sowie osteochondraler Defekte benutzt werden. In dieser Arbeit wurden je eine weiche und eine steife Stützstruktur für einen Hybridscaffold, die verschiedene Steifigkeit hatten und die in vivo Lasten tragen könnten, entwickelt. Danach waren steife und weiche Hybdridscaffolds hergestellt und ihren Eigenschaften (Kollagen Struktur, Steifigkeit, in vitro Zell-Materialen Interaktionen) gemessen worden. Außerdem wurde ein Computermodel etabliert, um die idealen mechanischen und strukturellen Eigenschaften eines Scaffolds für osteochondrale Defekte zu erforschen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13250
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12042
Exam Date: 30-Apr-2021
Issue Date: 2021
Date Available: 20-Jul-2021
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): scaffold
tissue engineering
bone
mechanobiology
computer model
Gerüst
Gewebezüchtung
Knochen
Mechanobiologie
Computermodell
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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