Composite Hydrogel Sealants for Annulus Fibrosus Repair

复合数 材料科学 复合材料 环空(植物学) 生物医学工程 医学
作者
Xuan Li,Ran Huo,Li Li,Hosni Cherif,Xiaoyi Lan,Michael H. Weber,Lisbet Haglund,Jianyu Li
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (8): 5094-5107
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.4c00548
摘要

Intervertebral disc (IVD) herniation is a leading cause of disability and lower back pain, causing enormous socioeconomic burdens. The standard of care for disc herniation is nucleotomy, which alleviates pain but does not repair the annulus fibrosus (AF) defect nor recover the biomechanical function of the disc. Existing bioadhesives for AF repair are limited by insufficient adhesion and significant mechanical and geometrical mismatch with the AF tissue, resulting in the recurrence of protrusion or detachment of bioadhesives. Here, we report a composite hydrogel sealant constructed from a composite of a three-dimensional (3D)-printed thermoplastic polyurethane (TPU) mesh and tough hydrogel. We tailored the fiber angle and volume fraction of the TPU mesh design to match the angle-ply structure and mechanical properties of native AF. Also, we proposed and tested three types of geometrical design of the composite hydrogel sealant to match the defect shape and size. Our results show that the sealant could mimic native AF in terms of the elastic modulus, flexural modulus, and fracture toughness and form strong adhesion with the human AF tissue. The bovine IVD tests show the effectiveness of the composite hydrogel sealant for AF repair and biomechanics recovery and for preventing herniation with its heightened stiffness and superior adhesion. By harnessing the combined capabilities of 3D printing and bioadhesives, these composite hydrogel sealants demonstrate promising potential for diverse applications in tissue repair and regeneration.

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