Fixation of hydrogel constructs for cartilage repair in the equine model: a challenging issue

Abstract

Objective: To report on the experiences with the use of commercial and autologous fibrin glue (AFG) and of an alternative method based on a 3D-printed polycaprolactone (PCL) anchor for the fixation of hydrogel-based scaffolds in an equine model for cartilage repair. Methods: In a first study, three different hydrogel-based materials were orthotopically implanted in nine horses for 1–4 weeks in 6 mm diameter full-thickness cartilage defects in the medial femoral trochlear ridge and fixated with commercially available fibrin glue (CFG). One defect was filled with CFG only as a control. In a second study, CFG and AFG were compared in an ectopic equine model. The third study compared the efficacy of AFG and a 3D-printed PCL-based osteal anchor for fixation of PCL-reinforced hydrogels in three horses for 2 weeks, with a 4-week follow-up to evaluate integration of bone with the PCL anchor. Short-term scaffold integration and cell infiltration were evaluated by microcomputed tomography and histology as outcome parameters. Results: The first study showed signs of subchondral bone resorption in all defects, including the controls filled with CFG only, with significant infiltration of neutrophils. Ectopically, CFG induced clear inflammation with strong neutrophil accumulation; AFG was less reactive, showing fibroblast infiltration only. In the third study the fixation potential for PCL-reinforced hydrogels of AFG was inferior to the PCL anchor. PCL reinforcement had disappeared from two defects and showed signs of dislodging in the remaining four. All six constructs fixated with the PCL anchor were still in place after 2 weeks. At 4 weeks, the PCL anchor showed good integration and signs of new bone formation. Conclusions:The use of AFG should be preferred to xenogeneic products in the horse, but AFG is subject to individual variations and laborious to make. The PCL anchor provides the best fixation; however, this technique involves the whole osteochondral unit, which entails a different conceptual approach to cartilage repair.Objetivo: Informar sobre las experiencias con el uso de cola de fibrina comercial y autóloga (AFG) y de un método alternativo basado en un anclaje de policaprolactona (PCL) impreso en 3D para la fijación de andamios a base de hidrogel en un modelo equino para la reparación del cartílago. Métodos: En un primer estudio, se implantaron ortotópicamente tres materiales diferentes a base de hidrogel en nueve caballos durante 1-4 semanas en defectos de cartílago de espesor total de 6 mm de diámetro en la cresta troclear femoral media y se fijaron con pegamento de fibrina (CFG) disponible en el mercado. Un defecto fue llenado con CFG sólo como control. En un segundo estudio, el CFG y el AFG se compararon en un modelo ectópico equino. El tercer estudio comparó la eficacia del GFA y un anclaje osteal basado en el LCP impreso en 3D para la fijación de hidrogeles reforzados con LCP en tres caballos durante dos semanas, con un seguimiento de cuatro semanas para evaluar la integración del hueso con el anclaje del LCP. La integración del andamiaje a corto plazo y la infiltración celular se evaluaron mediante tomografía microcomputada e histología como parámetros de resultado. Resultados: El primer estudio mostró signos de reabsorción ósea subcondral en todos los defectos, incluidos los controles llenos de GFC solamente, con una infiltración significativa de neutrófilos. Ectópicamente, el GFC indujo una clara inflamación con una fuerte acumulación de neutrófilos; el GAF fue menos reactivo, mostrando sólo infiltración de fibroblastos. En el tercer estudio el potencial de fijación de los hidrogeles reforzados con PCL de los GFA fue inferior al anclaje del PCL. El refuerzo del PCL había desaparecido de dos defectos y mostraba signos de desprendimiento en los cuatro restantes. Las seis construcciones fijadas con el anclaje PCL seguían en su lugar después de 2 semanas. A las 4 semanas, el anclaje del PCL mostraba buena integración y signos de formación de nuevos huesos. Conclusiones: El uso de GFA debería ser preferido a los productos xenogénicos en el caballo, pero el GFA está sujeto a variaciones individuales y es laborioso de hacer. El anclaje del PCL proporciona la mejor fijación; sin embargo, esta técnica involucra a toda la unidad osteocondral, lo que implica un enfoque conceptual diferente de la reparación del cartílago.