JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Een nieuwe tenorrfaphy hechttechniek met weefselmanipulatie collageentransplantaat om grote peesdefecten te repareren

Published: December 10, 2021
doi:
10.3791/57696
, ,
1Division of Surgery and Interventional Science,University College London, 2Blond McIndoe Laboratories, Division of Cell Matrix and Regenerative Medicine, MAHSC,University of Manchester, 3Department of Surgical Research, Northwick Park Institute for Medical Research,Northwick Park Hospital

Summary

In dit artikel presenteren we een in vitro en in situ protocol om een peesspleet van maximaal 1,5 cm te herstellen door deze te vullen met gemanipuleerd collageentransplantaat. Dit werd uitgevoerd door een aangepaste hechttechniek te ontwikkelen om de mechanische belasting te nemen totdat het transplantaat in het gastheerweefsel rijpt.

Abstract

Chirurgisch beheer van grote peesdefecten met peestransplantaten is een uitdaging, omdat er een eindig aantal plaatsen is waar donoren gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd en gebruikt. Momenteel wordt deze leemte opgevuld met peesauto-, allo-, xeno- of kunstmatige grafts, maar klinische methoden om ze te beveiligen zijn niet noodzakelijkerwijs vertaalbaar naar dieren vanwege de schaal. Om nieuwe biomaterialen te evalueren of een peestransplantaat bestaande uit collageen type 1 te bestuderen, hebben we een aangepaste hechttechniek ontwikkeld om de gemanipuleerde pees in lijn te houden met de peepunten. Mechanische eigenschappen van deze grafts zijn inferieur aan de inheemse pees. Om gemanipuleerde pees op te nemen in klinisch relevante modellen van belast herstel, werd een strategie aangenomen om het weefsel gemanipuleerde peestransplantaat te ontlasten en de rijping en integratie van de gemanipuleerde pees in vivo mogelijk te maken totdat een mechanisch gezonde neopees werd gevormd. We beschrijven deze techniek met behulp van de integratie van het collageen type 1 weefsel gemanipuleerde pees construct.

Introduction

Peesruptuur kan optreden als gevolg van extrinsieke factoren zoals traumatische scheuren of overmatige belasting van de pees. Door de externe trekkrachten die op een peesreparatie worden geplaatst, ontstaat er onvermijdelijk een opening bij de meeste peeshersteltechnieken. Momenteel worden peesdefecten/gaten opgevuld met auto-, allo-, xeno- of kunstmatige grafts, maar hun beschikbaarheid is eindig en de donorplaats is een bron van morbiditeit.

De weefselmanipulatiebenadering om peestransplantaat te fabriceren uit een natuurlijk polymeer zoals collageen heeft het onderscheidende voordeel dat het biocompatibel is en vitale extracellulaire matrix (ECM) componenten kan leveren die celintegratie vergemakkelijken. Door een gebrek aan fibrillaire uitlijning zijn de mechanische eigenschappen van de gemanipuleerde pees (ET) echter inferieur aan de inheemse pees. Om de mechanische eigenschappen van het zwakkere collageen te verhogen, zijn veel methoden gebruikt, zoals fysieke cross-linking onder vacuüm, UV-straling en dehydrothermale behandelingen1. Ook door chemische cross-linking met riboflavine verhoogden enzymatische en niet-enzymatische methoden de collageendichtheid en de Young’s modulus van het collageen in vitro2,3. Door het toevoegen van cross-linking middelen wordt de biocompatibiliteit van het collageen echter aangetast, aangezien studies een verandering van 33% in mechanische eigenschappen en 40% verlies van levensvatbaarheid van de cel hebben aangetoond3,4,5. Geleidelijke opbouw van uitlijning en mechanische sterkte kan worden verkregen door cyclische belasting6; dit kan echter efficiënt worden verkregen in vivo7.

Om ET in vivo te integreren en kracht te verkrijgen zonder de noodzaak van chemische verandering, zou een benadering zijn om een stabiliserende hechttechniek te gebruiken om het zwakkere construct op zijn plaats te houden. De meeste peesreparaties zijn afhankelijk van het hechtontwerp om peesuiteinden bij elkaar te houden; daarom zou aanpassing van deze bestaande technieken een logische oplossing kunnen bieden8,9.

Tot de jaren 1980 werden 2-streng reparaties veel gebruikt, maar recente chirurgische literatuur beschrijft het gebruik van 4 strengen, 6 strengen of zelfs 8 strengen in reparatie10,11. In 1985 beschreef Savage 6-strengs hechttechnieken met 6 ankerpunten, en het was aanzienlijk sterker dan de Bunnell-hechttechniek die 4 strengen 12gebruikt. Ook zijn 8-streng reparaties 43% sterker dan andere strengen in kadaver- en in situ-modellen, maar deze reparaties worden niet op grote schaal toegepast omdat het technisch moeilijk wordt om de reparaties nauwkeurig te reproduceren13,14,15,16. Daarom heeft een groter aantal kernnaadstregen betrekking op een evenredige toename van de biomechanische eigenschappen van de gerepareerde pees. Er is echter een verlies van levensvatbaarheid van de cel rond de hechtpunten en trauma door overmatig hechten kan ten koste gaan van de pees, wat de peesgenezing in gevaar kan brengen17. Hechttechnieken moeten zorgen voor een sterk geometrisch herstel dat evenwichtig en relatief inelastisch is om pees gapping na reparatie te minimaliseren. Bovendien moeten de locatie van de hechtdraad en de knopen strategisch worden geplaatst om ervoor te zorgen dat ze het glijden, de bloedtoevoer en de genezing niet verstoren totdat voldoende kracht is verkregen10,18.

Om de haalbaarheid vast te stellen om zwakkere ET-transplantaten of ander transplantaatmateriaal tussen gescheurde pezen te beveiligen, hebben we een nieuwe hechttechniek ontwikkeld die het transplantaat kan ontlasten, zodat het kan rijpen en geleidelijk in vivo in het gastheerweefsel kan integreren.

Protocol

OPMERKING: Experimentontwerp en ethische goedkeuring werden verkregen van de UCL Institutional Review Board (IRB). Alle experimenten werden uitgevoerd volgens de verordening van home office en richtlijnen van dieren (wetenschappelijke procedure) Act 1986 met herziene wetgeving van de Europese richtlijn 2010/63 / EU (2013). Konijnen werden periodiek geïnspecteerd door een benoemde dierenarts (NVS) en twee keer per dag door een benoemde dierenverzorgings- en welzijnsfunctionaris (NACWO) (volgens de richtlijnen en voorschr…

Representative Results

We hebben collageentransplantaten gebruikt die zijn vervaardigd uit type I collageen, omdat dit het overheersende eiwit is dat in de pees wordt aangetroffen. Het vormt bijna 95% van het totale collageen in de pees; vandaar dat collageen alle ideale eigenschappen heeft getoond voor het nabootsen van pees in vivo21,22. In deze studie werd het gebruikte type I coll…

Discussion

In deze studie werd tissue engineered type I collageentransplantaten gekozen als peestransplantaat omdat collageen een natuurlijk polymeer is en wordt gebruikt als biomateriaal voor verschillende tissue engineering-toepassingen27,28. Ook vormt collageen 60% van de droge massa van pees, waarvan 95% type 1 collageen 21,29,30,31,</sup…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen de UCL bedanken voor de financiering van dit project.

Materials

Rat tail type 1 Collagen  First Link, Birmingham, UK 60-30-810
prolene sutures 6-0 Ethicon Ltd, Edinburgh, U.K. EP8726H
prolene sutures 3-0 Ethicon Ltd, Edinburgh, U.K. D8911
Whatman filter paper SIGMA-ALDRICH  WHA10010155
Gibco DMEM, high glucose Thermo Fisher Scientific  11574486
Nylon mesh  Plastok (Meshes and Filtration) Ltd. NA
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wollensak, G., Spoerl, E., Seiler, T. Riboflavin/ultraviolet-a-induced collagen crosslinking for the treatment of keratoconus. American Journal of Ophthalmology. 135, 620-627 (2003).
  2. Tanzer, M. L. Cross-Linking of Collagen. Science. 180, 561-566 (1973).
  3. Reiser, K., McCormick, R. J., Rucker, R. B. Enzymatic and nonenzymatic cross-linking of collagen and elastin. FASEB Journal. 6, 2439-2449 (1992).
  4. Kanungo, B. P., Gibson, L. J. Density-property relationships in collagen-glycosaminoglycan scaffolds. Acta Biomaterialia. 6, 344-353 (2010).
  5. Weadock, K. S., Miller, E. J., Bellincampi, L. D., Zawadsky, J. P., Dunn, M. G. Physical crosslinking of collagen fibers: comparison of ultraviolet irradiation and dehydrothermal treatment. Journal of Biomedical Materials Research. 29, 1373-1379 (1995).
  6. Kalson, N. S., et al. Slow Stretching That Mimics Embryonic Growth Rate Stimulates Structural and Mechanical Development of Tendon-Like Tissue In Vitro. Developmental Dynamics. 240, 2520-2528 (2011).
  7. Torigoe, K., et al. Mechanisms of collagen fibril alignment in tendon injury: from tendon regeneration to artificial tendon. Journal of Orthopaedic Research. 29, 1944-1950 (2011).
  8. Ketchum, L. D. Suture materials and suture techniques used in tendon repair. Hand Clinics. 1, 43-53 (1985).
  9. Lawrence, T. M., Davis, T. R. A biomechanical analysis of suture materials and their influence on a four-strand flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 30, 836-841 (2005).
  10. Strickland, J. W. Development of flexor tendon surgery: Twenty-five years of progress. The Journal of Hand Surgery. 25, 214-235 (2000).
  11. Moriya, K., et al. Clinical outcomes of early active mobilization following flexor tendon repair using the six-strand technique: short- and long-term evaluations. The Journal of Hand Surgery, European volume. , (2014).
  12. Savage, R. In vitro studies of a new method of flexor tendon repair. Journal of Hand Surgery. 10, 135-141 (1985).
  13. Uslu, M., et al. Flexor tendons repair: effect of core sutures caliber with increased number of suture strands and peripheral sutures. A sheep model. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research : OTSR. 100, 611-616 (2014).
  14. Osei, D. A., et al. The Effect of Suture Caliber and Number of Core Suture Strands on Zone II Flexor Tendon Repair: A Study in Human Cadavers. Journal of Hand Surgery. 39, 262-268 (2013).
  15. Dovan, T. T., Ditsios, K. T., Boyer, M. I. Eight-strand core suture technique for repair of intrasynovial flexor tendon lacerations. Techniques in Hand & Upper Extremity Surgery. 7, 70-74 (2003).
  16. Silva, M. J., et al. The effects of multiple-strand suture techniques on the tensile properties of repair of the flexor digitorum profundus tendon to bone. The Journal of Bone and Joint surgery. 80, 1507-1514 (1998).
  17. Wong, J. K., Alyouha, S., Kadler, K. E., Ferguson, M. W., McGrouther, D. A. The cell biology of suturing tendons. Matrix Biology. 29, 525-536 (2010).
  18. Strickland, J. W. Flexor Tendon Injuries: II. Operative Technique. The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons. 3, 55-62 (1995).
  19. Brown, R. A., Wiseman, M., Chuo, C. B., Cheema, U., Nazhat, S. N. Ultrarapid Engineering of Biomimetic Materials and Tissues: Fabrication of Nano- and Microstructures by Plastic Compression. Advanced Functional Materials. 15, 1762-1770 (2005).
  20. Sawadkar, P., Alexander, S., Mudera, V. Tissue-engineered collagen grafts to treat large tendon defects. Regenerative Medicine. 9, 249-251 (2014).
  21. Evans, J. H., Barbenel, J. C. Structural and mechanical properties of tendon related to function. Equine veterinary journal. 7, 1-8 (1975).
  22. Riley, G. P., et al. Glycosaminoglycans of human rotator cuff tendons: changes with age and in chronic rotator cuff tendinitis. Annals of the Rheumatic Diseases. 53, 367-376 (1994).
  23. Bell, E., Ivarsson, B., Merrill, C. Production of a tissue-like structure by contraction of collagen lattices by human fibroblasts of different proliferative potential in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 76, 1274-1278 (1979).
  24. Kim, H. M., et al. Technical and biological modifications for enhanced flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 35, 1031-1038 (2010).
  25. Kim, J. B., de Wit, T., Hovius, S. E., McGrouther, D. A., Walbeehm, E. T. What is the significance of tendon suture purchase. The Journal of Hand Surgery, European Volume. 34, 497-502 (2009).
  26. Sawadkar, P., et al. Development of a surgically optimized graft insertion suture technique to accommodate a tissue-engineered tendon in vivo. BioResearch Open Access. 2, 327-335 (2013).
  27. Hadjipanayi, E., et al. Mechanisms of structure generation during plastic compression of nanofibrillar collagen hydrogel scaffolds: towards engineering of collagen. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 5, 505-519 (2011).
  28. Micol, L. A., et al. High-density collagen gel tubes as a matrix for primary human bladder smooth muscle cells. Biomaterials. 32, 1543-1548 (2011).
  29. Lian Cen, L., Liu, W., Cui, L., Zhang, W., Cao, Y. Collagen Tissue Engineering: Development of Novel Biomaterials and applications. Pediatric Research. 63, 492-496 (2008).
  30. Harris, M. T., et al. Mesenchymal stem cells used for rabbit tendon repair can form ectopic bone and express alkaline phosphatase activity in constructs. Journal of Orthopaedic Research. 22, 998-1003 (2004).
  31. Butler, D. L., et al. The use of mesenchymal stem cells in collagen-based scaffolds for tissue-engineered repair of tendons. Nature Protocols. 5, 849-863 (2010).
  32. Cen, L., Liu, W., Cui, L., Zhang, W., Cao, Y. Collagen Tissue Engineering: Development of Novel Biomaterials and Applications. Pediatric Research. 63, 492-496 (2008).
  33. Yamaguchi, H., Suenaga, N., Oizumi, N., Hosokawa, Y., Kanaya, F. Will Preoperative Atrophy and Fatty Degeneration of the Shoulder Muscles Improve after Rotator Cuff Repair in Patients with Massive Rotator Cuff Tears. Advances in Orthopedics. 2012, 195876 (2012).
  34. Silver, F. H., Freeman, J. W., Seehra, G. P. Collagen self-assembly and the development of tendon mechanical properties. Journal of Biomechanics. 36, 1529-1553 (2003).
  35. Schneppendahl, J., et al. Initial stability of two different adhesives compared to suture repair for acute Achilles tendon rupture–a biomechanical evaluation. International Orthopaedics. 36, 627-632 (2012).
  36. Herbort, M., et al. Biomechanical comparison of the primary stability of suturing Achilles tendon rupture: a cadaver study of Bunnell and Kessler techniques under cyclic loading conditions. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 128, 1273-1277 (2008).
  37. Piskin, A., et al. Tendon repair with the strengthened modified Kessler, modified Kessler, and Savage suture techniques: a biomechanical comparison. Acta Orthopaedica et Traumatologica Turcica. 41, 238-243 (2007).
  38. de Wit, T., Walbeehm, E. T., Hovius, S. E., McGrouther, D. A. The mechanical interaction between three geometric types of nylon core suture and a running epitenon suture in repair of porcine flexor tendons. The Journal of Hand Surgery, European Volume. 38, 788-794 (2013).
  39. Trail, I. A., Powell, E. S., Noble, J. The mechanical strength of various suture techniques. Journal of Hand Surgery. 17, 89-91 (1992).
  40. Wong, J. K., Peck, F. Improving results of flexor tendon repair and rehabilitation. Plastic and Reconstructive Surgery. 134, 913-925 (2014).
  41. Amis, A. A. Absorbable sutures in tendon repair. Journal of Hand Surgery. 21, 286 (1996).
  42. Faggioni, R., de Courten, C. Short and long-term advantages and disadvantages of prolene monofilament sutures in penetrating keratoplasty. Klinische Monatsblatter fur Augenheilkunde. 200, 395-397 (1992).
  43. Wong, J. K., Cerovac, S., Ferguson, M. W., McGrouther, D. A. The cellular effect of a single interrupted suture on tendon. Journal of Hand Surgery. 31, 358-367 (2006).
  44. Savage, R., Risitano, G. Flexor tendon repair using a “six strand” method of repair and early active mobilisation. Journal of Hand Surgery. 14, 396-399 (1989).
  45. Okubo, H., Kusano, N., Kinjo, M., Kanaya, F. Influence of different length of core suture purchase among suture row on the strength of 6-strand tendon repairs. Hand Surgery. 20, 19-24 (2015).
  46. Noguchi, M., Seiler, J. G., Gelberman, R. H., Sofranko, R. A., Woo, S. L. In vitro biomechanical analysis of suture methods for flexor tendon repair. Journal of Orthopaedic Research. 11, 603-611 (1993).
  47. Aoki, M., Pruitt, D. L., Kubota, H., Manske, P. R. Effect of suture knots on tensile strength of repaired canine flexor tendons. Journal of Hand Surgery. 20, 72-75 (1995).
  48. Pruitt, D. L., Aoki, M., Manske, P. R. Effect of suture knot location on tensile strength after flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 21, 969-973 (1996).
  49. Khor, W. S., et al. Improving Outcomes in Tendon Repair: A Critical Look at the Evidence for Flexor Tendon Repair and Rehabilitation. Plastic and Reconstructive Surgery. 138, 1045-1058 (2016).
  50. Strickland, J. W. Flexor Tendon Injuries: I. Foundations of Treatment. The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons. 3, 44-54 (1995).
  51. Mashadi, Z. B., Amis, A. A. Strength of the suture in the epitenon and within the tendon fibres: development of stronger peripheral suture technique. Journal of Hand Surgery. 17, 172-175 (1992).
  52. Wade, P. J., Muir, I. F., Hutcheon, L. L. Primary flexor tendon repair: the mechanical limitations of the modified Kessler technique. Journal of Hand Surgery. 11, 71-76 (1986).
  53. Wade, P. J., Wetherell, R. G., Amis, A. A. Flexor tendon repair: significant gain in strength from the Halsted peripheral suture technique. Journal of Hand Surgery. 14, 232-235 (1989).
  54. Silfverskiold, K. L., May, E. J. Gap formation after flexor tendon repair in zone II. Results with a new controlled motion programme. Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery / Nordisk Plastikkirurgisk forening [and] Nordisk Klubb for Handkirurgi. 27, 263-268 (1993).
  55. Silfverskiold, K. L., May, E. J., Tornvall, A. H. Gap formation during controlled motion after flexor tendon repair in zone II: a prospective clinical study. The Journal of Hand Surgery. 17, 539-546 (1992).
  56. Silfverskiold, K. L., May, E. J. Flexor tendon repair in zone II with a new suture technique and an early mobilization program combining passive and active flexion. The Journal of Hand Surgery. 19, 53-60 (1994).
  57. Pennington, D. G. Atraumatic retrieval of the proximal end of a severed digital flexor tendon. Plastic and Reconstructive Surgery. 60, 468-469 (1977).
  58. Lin, G. T., An, K. N., Amadio, P. C., Cooney, W. P. Biomechanical studies of running suture for flexor tendon repair in dogs. The Journal of Hand Surgery. 13, 553-558 (1988).
  59. Papandrea, R., Seitz, W. H., Shapiro, P., Borden, B. Biomechanical and clinical evaluation of the epitenon-first technique of flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 20, 261-266 (1995).

Tags

Tenorrhaphy Suture TechniqueTendon ReconstructionTendon GapSurgical RepairCollagen HydrogelCompression Assembly
check_url/57696?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Sawadkar, P., Wong, J., Mudera, V. A Novel Tenorrhaphy Suture Technique with Tissue Engineered Collagen Graft to Repair Large Tendon Defects. J. Vis. Exp. (178), e57696, doi:10.3791/57696 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image