A new approach for ligament regeneration based on graphene nanocomposites

Abstract

Ligament injuries are frequent and often require surgical reconstruction with auto-/ allografts, with severe limitations that have prompted a growing interest in the development of tissue-engineered scaffolds for ligament regeneration. Polylactic acid (PLA) is a biocompatible/biodegradable polymer with acceptable mechanical properties and routinely used for several medical applications. It may be reinforced with nanoparticles such as few-layer graphene to enhance the mechanical performance and provide other functionalities. Micronized graphite nanoplatelets (EG) may be covalently functionalized (f-EG) maintaining the excellent mechanical properties and providing adequate chemistry to bond with PLA, establishing strong interfaces that will enhance stress-transfer from polymer to reinforcement. Anchoring on f-EG a controlled concentration of silver nanoparticles ((f-EG)+Ag) may be beneficial for tissue regeneration by preventing bacterial adhesion and accelerating the healing process. The present work targeted the production of novel biodegradable and biocompatible graphenebased scaffolds, with controlled dimensions, as well as mechanical properties that match the requirements of the native human ligaments. Two alternative manufacturing techniques were investigated, one based on braiding, the other using 3D printing. To reach this goal, composite filaments of PLA reinforced with (f-EG)+Ag were produced by twin screw extrusion and melt-drawing, with enhanced mechanical performance for textile-engineered and 3D-printed ligament scaffolds. The composite filaments and scaffolds were extensively characterized by relevant techniques, being suitable for tendon/ligament tissue engineering applications. Scaffolds based on a medical grade PLA containing 0.5 wt.% of (f-EG)+Ag were produced by 3D printing. (f-EG)+Ag exhibited antibacterial properties against Staphylococcus aureus and Escherichia coli , an important feature for the healing process and prevention of bacterial infections. The scaffolds’ structure, biodegradation, and mechanical properties confirm their suitability for tendon and ligament regeneration. The PLA+[(f-EG)+Ag] scaffolds were nontoxic, and showed the ability to maintain the tenogenic commitment of human tendon-derived cells, with an increase in the gene expression of specific tendon/ligament-related markers. The results demonstrate the possibility for easy, cost-effective and personalized 3D-printed scaffolds with great potential applications for tendon and ligament regeneration.

As lesões do ligamento são frequentes e envolvem muitas vezes reconstruções cirúrgicas com auto/alo-enxertos. Esta estratégia apresenta várias limitações potenciando o desenvolvimento de scaffolds que propiciem a regeneração do ligamento. O poliácido láctico (PLA) é um polímero biocompatível e biodegradável, com razoáveis propriedades mecânicas e amplamente usado na área médica. Este polímero pode ser reforçado com nanopartículas como grafeno multi-camada para melhorar a performance mecânica e conferir outras funcionalidades. As nanoplaquetas de grafite micronizada (EG) podem ser funcionalizadas covalentemente (f-EG) mantendo as excelentes propriedades mecânicas, providenciando uma química adequada para uma ligação com o PLA e assim, estabelecer interfaces fortes que irão melhorar a transferência de carga do polímero para o material de reforço. A ancoragem a f-EG de uma concentração controlada de nanopartículas de prata ((f-EG)+Ag) pode ser benéfica para a regeneração de tecidos, prevenindo a adesão bacteriana e acelerando o processo de cicatrização. Este trabalho tem como objetivo a produção de scaffolds à base de grafeno, biodegradáveis e biocompatíveis, com dimensões controladas e propriedades mecânicas que cumpram os requisitos dos ligamentos humanos nativos. Foram investigados dois métodos alternativos de produção, entrançado e impressão 3D. Assim, foram produzidos por extrusão e estiramento filamentos compósitos de PLA+[(f- EG)+Ag], com performance mecânica melhorada, para a produção de scaffolds . Os filamentos e os scaffolds compósitos foram extensamente caracterizados, sendo adequados para regeneração de ligamento/tendão. Foram também produzidos scaffolds de PLA de grau médico reforçado com 0.5 wt.% de (f-EG)+Ag, por impressão 3D. (f-EG)+Ag exibiu propriedades antibacterianas em relação a Staphylococcus aureus e Escherichia coli , uma importante caraterística para a prevenção de infeções bacterianas e para o processo de cura. A estrutura, biodegradação e propriedades mecânicas dos scaffolds confirmam a sua adequabilidade para regenerar ligamentos e tendões. Os scaffolds de PLA+[(f- EG)+Ag] não são tóxicos, e mostraram capacidade de manter a predisposição tenogénica de células humanas derivadas do tendão, com aumento da expressão genética de marcadores específicos de tendão/ligamento. Os resultados demostram a possibilidade de obter scaffolds por impressão 3D de forma fácil, económica e personalizada com grande potencial para regeneração de tendão/ligamento.