Autor: LIU Yuyao
Título: Development of 3D-printed biodegradable polymer scaffolds for osteochondral tissue engineering
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
Departamento: CIENCIA DE LOS MATERIALES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/90687/
Director/a(s):
- Director/a: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier
- Director/a: ECHEVERRY RENDÓN, Mónica
Resumen: Osteochondral defects caused by trauma or disease contribute to joint instability, ultimately leading to osteoarthritis. Therapies such as autologous transplantation and microfracture offer potential for osteochondral repair, but limitations remain, including donor shortages, infection risks, and immune rejection. Recent advances in tissue engineering and novel biomaterials have led to promising possibilities for osteochondral scaffolds. Notably, the osteochondral unit consists of the articular cartilage layer and the underlying subchondral bone layer, and the development of novel biodegradable polymer scaffolds with gradient structures and tailored mechanical properties is particularly attractive to enhance the repair efficiency of osteochondral defect. In this thesis, two biodegradable polymers were investigated, flexible poly (glycerol sebacate) (PGS) and rigid poly(-caprolactone)-poly(ethylene glycol)-poly(-caprolactone) (PCL-PEG-PCL, PCEC), which were further fabricated into porous scaffolds via 3D printing. To enhance bioactivity, prechondrogenic collagen type I/II-hyaluronic acid (CI/II-HyA) and bone-active collagen type I-hydroxyapatite (CI-nHA) matrices were incorporated into PGS and PCEC scaffolds respectively, to create biomimetic CI/II-HyA@PGS and CI-nHA@PCEC composite scaffolds targeted for the cartilage layer and the subchondral bone layer. The processing, structure, mechanical properties, degradation behaviour of the isolated composite scaffolds as well as of the combined bilayer composite scaffold were systematically characterized. Additionally, the chondrogenic capability of the CI/II-HyA@PGS composite scaffold layer and the osteogenic capability of the CI-nHA@PCEC composite scaffold layer were investigated separately to evaluate the potential of the combined bilayer composite scaffold for application in osteochondral tissue engineering. In summary, a novel bilayer biodegradable polymer scaffold was fabricated for osteochondral tissue engineering. It was made up of a CI/II-HyA matrix incorporated in a soft 3D-printed PGS scaffold as the cartilage layer, and a CI-nHA matrix incorporated into a rigid 3D-printed PCEC scaffold as the bone layer. Comprehensive characterizations revealed that the bilayer composite scaffold exhibited biomimetic composition and structure, gradient mechanical properties, compatible degradation rate with tissue regeneration, and effective chondrogenesis in top layer and osteogenesis in bottom layer, highlighting its potential for osteochondral tissue engineering. RESUMEN Los defectos osteocondrales causados por traumatismos o enfermedades degenerativas contribuyen a la inestabilidad articular, lo que finalmente conduce a la osteoartritis. Terapias como el trasplante autólogo y la microfractura son las actuales opciones terapéuticas para la reparación osteocondral. Sin embargo, la escasez de donantes, los riesgos de infección y el rechazo inmunológico son una limitación en estos casos. Los avances recientes en ingeniería de tejidos y nuevos biomateriales han abierto posibilidades prometedoras para andamios osteocondrales. La unidad osteocondral está compuesta por una capa de cartílago articular y la capa subyacente de hueso subcondral, y el desarrollo de nuevos andamios poliméricos biodegradables con estructuras en gradiente y propiedades mecánicas adaptadas resulta particularmente atractivo para facilitar su reparación. Esta tesis desarrolla dos polímeros biodegradables: el flexible poli(sebacato de glicerol) (PGS) y el rígido poli(-caprolactona)-poli(etilenglicol)-poli(-caprolactona) (PCL-PEG-PCL, PCEC), que posteriormente fueron fabricados en forma de andamios porosos mediante impresión 3D. Para mejorar la bioactividad, se incorporaron matrices de colágeno tipo I/II-ácido hialurónico (CI/II-HyA) precondrogénicas y colágeno tipo I-hidroxiapatita (CI-nHA) osteoactivas a los andamios de PGS y PCEC, respectivamente, para crear andamios compuestos biomiméticos CI/II-HyA@PGS y CI-nHA@PCEC dirigidos a la capa de cartílago y a la capa de hueso subcondral. Se caracterizaron sistemáticamente el procesamiento, la estructura, las propiedades mecánicas y el comportamiento de degradación de los andamios compuestos individuales, así como del andamio bicapa combinado. Además, se investigó por separado la capacidad condrogénica de la capa de andamio compuesto CI/II-HyA@PGS y la capacidad osteogénica de la capa de andamio compuesto CI-nHA@PCEC, con el fin de evaluar el potencial del andamio compuesto bicapa combinada para su aplicación en ingeniería de tejidos osteocondrales. En resumen, se fabricó un nuevo andamio polimérico biodegradable bicapa para ingeniería de tejidos osteocondrales. Estaba compuesto por una matriz de CI/II-HyA incorporada en un andamio blando de PGS impreso en 3D como capa de cartílago, y una matriz de CI-nHA incorporada en un andamio rígido de PCEC impreso en 3D como capa ósea. La caracterización exhaustiva reveló que el andamio compuesto bicapa presentaba una composición y estructura biomiméticas, propiedades mecánicas en gradiente, una velocidad de degradación compatible con la regeneración tisular, y una condrogénesis eficaz en la capa superior y osteogénesis en la capa inferior, lo que destaca su potencial para la ingeniería de tejidos osteocondrales.