Efficacy of 3D-printed allogenic biomaterial implant for the regeneration of knee articular cartilage in canine trochlear block recession models

Abstract

The purpose of this study was to confirm the inflammatory alleviation and therapeutic effect of 3D printed biomaterial containing lyophilized costal cartilage matrix (LCCM), micronized adipose tissue (MAT), and fibrin glue. This study used the canine trochlear block recession model. The control group performed only trochlear block recession and the experimental groups were classified into LCCM + MAT + fibrin glue, LCCM + fibrin glue, only fibrin glue, and syringe type groups according to the composition of the biomaterial implant. To prove the therapeutic effect, magnetic resonance imaging (MRI), an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) of the synovial fluid, and histopathological examination were performed. In the synovial joint ELISA, we confirmed the decreased matrix metalloproteinase-3 (MMP-3) level and increased tissue inhibitor of metalloprotease-1 (TIMP-1) level tendency in the LCCM + MAT + fibrin glue group. In addition, MRI analysis confirmed that the amount of joint fluid increased in the control group compared to the LCCM + MAT + fibrin glue group. Therefore, the LCCM + MAT + fibrin glue group considered that joint inflammation and the joint fluid due to arthritis were less than in other groups. In the histopathological examination, the LCCM + MAT + fibrin glue group compared to other groups showed integrity between normal tissue and lesion area, the number of chondrocytes, and regeneration of hyaline cartilage. We confirmed that the treatment of cartilage lesions was effective in the LCCM + MAT + fibrin glue group. In the canine cartilage lesion experimentally induced, we confirmed that 3D-printed LCCM + MAT + fibrin glue biomatrix has a significant effect on cartilage lesion repair, regeneration, and inflammation reduction.

본 연구의 목적은 동종유래 동결건조 갈비뼈 연골 분말 (LCCM), 미세화 지방조직 (MAT) 및 피브린 접착제 (fibrin glue)를 포함하여 3D 프린터로 제작한 생체재료의 염증감소 및 치료효과를 확인하는 것이다. 본 연구에서는 개의 활차 블록 절제 모델을 사용하였다. 대조군은 오직 활자 블록 절제만 적용하였으며 실험군은 생체 이식물의 구성에 따라 LCCM + MAT + fibrin glue, LCCM + fibrin glue, fibrin glue와 syringe 형태 그룹으로 분류하였다. 치료효과를 증명하기 위해 자기공명영상 (MRI), 관절액의 효소면역측정법 (ELISA) 및 조직병리 검사를 진행하였다. 관절연골의 효소면역측정법상에서 LCCM + MAT + fibrin glue 그룹이 matrix metalloproteinase-3 (MMP-3) 수치가 감소하고 tissue inhibitor of metalloprotease-1 (TIMP-1) 수치가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 자기공명영상 분석상에서 LCCM + MAT + fibrin glue 그룹보다 대조군에서 관절액이 상승한 것을 확인하였다. 따라서, LCCM + MAT + fibrin glue 그룹이 다른 그룹들과 비교하여 관절 염증과 관절염으로 인한 관절액이 적은 것으로 생각된다. 조직병리검사상에서 LCCM + MAT + fibrin glue 그룹이 다른 그룹들과 비교하여 정상조직과 병변 사이의 완전성, 연골세포 수, 유리연골의 재생이 우월함을 보여주었다. 우리는 LCCM + MAT + fibrin glue 그룹에서 연골 손상의 치료 효과가 높은 것을 확인하였다. 실험적으로 유발된 개의 연골 병변에서 3D 프린터로 제작된 LCCM + MAT + fibrin glue 생체재료가 연골수복, 재생 및 염증감소 효과에 훌륭한 치료효과가 있는 것을 입증하였다.