The purpose of this study is to investigate the potential of a novel tissue engineering approach to regenerate intervertebral disc. In this study, thermosensitive scaffold (chitosan-Pluronic hydrogel) and nanofiber were used to replace the nucleus pulposus (NP) and annulus fibrosus of a degenerated intervertebral disc, leading to an eventual regeneration of the disc using the minimally invasive surgical procedure and organ culture. In preliminary study, disc cells were seeded into the scaffolds and cellular responses were assessed by MTT assay and scanning electron microscopy (SEM). Based on these results, we could know that tissue engineered scaffolds might provide favorable environments for the regeneration of tissues. Organ culture was performed in fresh porcine spinal motion segments with endplates on both sides. These spinal motion segments were classified into three groups: control (Intact), injured NP (Defect), and inserting tissue engineered scaffolds (Insert). The specimens were cultivated for 7 days, subsequently structural stability, cell proliferation and morphological changes were evaluated by the relaxation time, quantity of DNA, GAG and histological examination. In these results, inserting group showed higher relaxation time, reduced decrement of DNA contents, and accumulated GAG amount. Consequently, the tissue engineered scaffolds used in this study seen to be a promising base scaffolds for regenerative intervertebral disc due to its capacity to absorb external dynamic loading and the possible ideal environment provided for disc cell growing.
Park, Hyunwoo;Kim, Hye Yun;Kwon, Soon Yong;Khang, Gilson;Kim, Yong-Sik
Polymer(Korea)
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v.39
no.1
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pp.144-150
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2015
Gellan gum as a natural polysaccharide has good heat resistance, acid resistance and enzymes resistance. However, one of the drawbacks of gellan gum might be the lower mechanical strength. In this work, gellan gum scaffolds were mixed with poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) microsphere in order to improve mechanical properties. The gellan gum scaffolds with various contents of PLGA microsphere were prepared for the regeneration of disc tissues. To evaluate the mechanical strength of hybrid structure of gellan gum and PLGA microsphere, compression strength of the fabricated scaffolds was measured. MTT analysis, SEM observation, histological evaluation and RT-PCR were performed to confirm the effect on the cell growth and extracellular matrix secretion. As a result, it showed the best cell proliferation and extracellular matrix secretion in gellan gum sponge containing 50% PLGA microspheres. In conclusion, this study confirmed that the hybrid structure of gellan gum and PLGA microspheres was found suitable in regeneration of the intervertebral disc.
Jang, Ji Eun;Kim, Hye Yoon;Song, Jeong Eun;Lee, Dongwon;Kwon, Soon Yong;Chung, Jin Wha;Khang, Gilson
Polymer(Korea)
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v.37
no.6
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pp.669-676
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2013
Demineralized bone particle (DBP) is a biomaterial used widely in the field of tissue engineering. In this study, in order to study the effect of DBP/poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) scaffold on disc regeneration in vivo environment, we prepared the porous DBP/PLGA hybrid scaffold. Disc defect was induced by removing the nucleus pulposus tissue after incision the annulus fibrosus tissue in half and scaffolds were transplanted. After 1, 2 and 3 months later, the extracted discs were confirmed by collagen synthesis and glycosaminoglycan (sGAG). We conducted histology (H&E, Safranin-O, Alcian blue, Type I Collagen, Type II Collagen). From the results, it was confirmed that collagen and sGAG content were high in DBP/PLGA scaffold, and the regeneration of intervertebral disc was possible.
Jin, Eun-Sun;Min, Joongkee;Jeon, Sang Ryong;Choi, Kyoung Hyo;Jeong, Je Hoon
Journal of Korean Neurosurgical Society
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v.53
no.4
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pp.207-212
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2013
Objective : Recent studies have shown encouraging progress toward the use of autogenic and allogenic mesenchymal stem cells (MSCs) to arrest, or even lead to partial regeneration in, intervertebral disc (IVD) degeneration. However, this technology is still in its infancy, and further development is required. The aim of this study was to analyze whether rat adipose-derived mesenchymal stem cells (ADMSC) can differentiate towards IVD-like cells after treatment with transforming growth factor ${\beta}3$ (TGF-${\beta}3$) in vitro. We also performed quantitative analysis of gene expression for ADMSC only, ADMSCs treated with TGF-${\beta}3$, and co-cultured ADMSCs treated with TGF-${\beta}3$. Methods : ADMSCs were sub-cultured to homogeneity and used in fluorocytometry assays for CD11, CD45, and CD90/Thy1. ADMSCs were differentiated in spheroid culture towards the chondrogenic lineage by the presence of TGF-${\beta}3$, dexamethasone, and ascorbate. We also co-cultured pure ADMSCs and nucleus pulposus cells in 24-well plates, and performed immunohistochemical staining, western blotting, and RT-PCR for quantitative analysis of gene expression. Results : Results of fluorocytometry were positive for CD90/Thy1 and negative for CD11 and CD45. TGF-${\beta}3$-mediated induction of ADMSCs led to the expression of the differentiation markers of intervertebral disc-like cells, such as aggrecan, collagen II, and sox-9. Co-cultured ADMSCs treated with TGF-${\beta}3$ showed higher expression of differentiation markers and greater extracellular matrix production compared with ADMSCs treated with TGF-${\beta}3$ alone. Conclusion : ADMSC treated with TGF-${\beta}3$ may be an attractive source for regeneration therapy in degenerative IVD. These findings may also help elucidate the pathologic mechanism of MSC therapy in the degeneration of IVD in vivo.
So, Jeong-Won;Jang, Ji-Wook;Kim, Soon-Hee;Choi, Jin-Hee;Rhee, John-M.;Min, Byung-Hyun;Khang, Gil-Son
Polymer(Korea)
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v.32
no.6
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pp.516-522
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2008
Biodegradable polymers have been used extensively as scaffolding materials to regenerate new tissues and the ingrowth of tissue have been reported to be dependent directly of the porosity, pore diameter, pore shape, and porous structure of the scaffold. In this study, porous poly (L-lactide-co-glycolide) (PLGA) scaffolds with five different pore sizes were fabricated to investigate the effect of pore sizes for AF tissue regeneration. Cellular viability and proliferation were assayed by MTT test. Hydroxyproline/DNA content of AF cells on each scaffold was measured. sGAG analyses were performed at each time point of 2 and 6 weeks. Scaffold seeded AF cells were implanted into the back of athymic nude mouse to observe the difference of formation of disc-like tissue depending on pore size in vivo. We confirmed that scaffold with $180{\sim}250{\mu}m$ pores displayed high cell viability in vitro and produced higher ECM than scaffold with other pore sizes in vivo.
Ha, Hyun-Jung;Kim, Soon-Hee;Yoon, Sun-Jung;Park, Sang-Wook;So, Jung-Won;Kim, Moon-Suk;Rhee, John-M.;Khang, Gil-Son;Lee, Hai-Bang
Polymer(Korea)
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v.32
no.1
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pp.26-30
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2008
This study was designed to investigate the effect of hybridization of synthetic/natural materials for annulus fibrosus (AF) tissue regeneration in vitro and in vivo. The synthetic/natural hybrid scaffolds were prepared using PLGA (poly (lactic-co-glycolic) acid), SIS (small intestinal submucosa) and DBP (demineralized bone particles). PLGA, PLGA/SIS(20%), PLGA/DBP(20%) and PLGA/SIS (10%)/DBP (10%) scaffold were manufactured by solvent casting/salt leaching method. Compressive strength was measured. Rabbit AF cells were isolated, cultured and seeded into experimental groups. Hydroxyproline production and DNA quantity of AP cells on each scaffold was measured at 2, 4 and 6 weeks after in vitro culture. Cell-scaffold composites were implanted subcutaneously into athymic mice. After 1,4 and 6 weeks postoperatively, specimens were taken and H&E, Safranin-O and type I collagen staining were carried out concerning formation of cartilagenous tissue. In vitro PLGA/SIS scaffold was evaluated for total collagen content (bydroryproline/DNA content) and PLGA scaffold was evaluated for compressive strength.
Because demineralized bone particle (DBP) contains various bioactive molecules such as cytokines, it is widely used biomaterials in the field of tissue engineering. In this study, we investigated the effect of 2-dimensional DBP/PLGA hybrid films on adhesion, proliferation and phenotype maintenance of intervertebral disc cells. PLGA films incorporated with different amount (0, 10, 20, 40 and 80 wt%) of DBP were prepared by the solvent evaporation method and characterized by scanning election microscopy (SEM). PLGA film has a flat and smooth surface. According to the increase of content of DBP, the surface of DBP/PLGA film exhibited few agglomerates and increased the roughness of the surface. Annulus fibrosus (AF) and nucleus pulposus (NP) cells were cultured on PLGA and DBP/PLGA film surface, and then examined the cell adhesion and proliferation by the cell count and SEM observation. The result of cell count and SEM observation revealed that 10 and 20% DBP in DBP/PLGA films were superior to adhesion and proliferation of both AF and NP cells. We confirmed that specific gene expression of disc cells on DBP/PLGA film based on the cell count result. Disc cells seeded on 20% DBP/PLGA film expressed the gene of type I and II collagen continuously. Therefore, pertinent content of biomaterials could provide more appropriate condition on adhesion and proliferation of cell. And this results may be used as a basic data for the intervertebral disc regeneration using tissue engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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