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Adapting Mechanical Characterization of a Biodegradable Polymer to Physiological Approach of Anterior Cruciate Ligament Functions - 29/01/22

Doi : 10.1016/j.irbm.2020.10.002 
A. Rangel a, , L. Colaço b, N.T. Nguyen a, J.-F. Grosset b, C. Egles b, V. Migonney a
a Laboratoire de Biomatériaux pour la Santé (LBPS), Laboratoire de Chimie, Structures, Proprietés de Biomatériaux et d'Agents Thérapeutiques (CSPBAT), UMR CNRS 7244, Université Sorbonne Paris Nord, France 
b Alliance Sorbonne université, Université de technologie de Compiègne, CNRS, UMR 7338 BioMécanique et BioIngénierie (BMBI), Centre de recherche Royallieu, CS 60 319, 60 203 Compiègne cedex, France 

Corresponding author at: Laboratoire de Biomatériaux pour la Santé (LBPS), 99, avenue Jean Bapiste Clement, Villetaneuse, Université Sorbonne Paris Nord, France.Laboratoire de Biomatériaux pour la Santé (LBPS)Université Sorbonne Paris Nord99, avenue Jean Bapiste ClementVilletaneuseFrance

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Graphical abstract

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Highlights

Mechanical characterization of biodegradable polymer for anterior cruciate ligament artificial prosthesis application.
Surface functionalization by polymer grafting.
Adapting mechanical assays to simulate daily activities.
Simulation protocol for regular gait pace.
Surface biofunctionalization have an influence on both mechanical behavior and cell response.

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Abstract

Background and objective

Over the past decades, anterior cruciate ligament injuries have become a considerable public health issue. Due to specific physiological conditions such injuries often demand replacement surgery and can take up to two years to a complete recovery. Using biomaterials able to accelerate the healing process could represent a remarkable progress in the field. The main goal of this article is, therein, to evaluate the mechanical properties of poly(ε-caprolactone) (PCL) fibers with biological properties enhanced by poly(sodium styrene sulfonate) (PNaSS) grafting when subjected to mechanical stress in different conditions.

Materials and methods

PCL fibers were thermal grafted with PNaSS. The grafting density was estimated by the toluidine blue colorimetric assay (TB). The influence of the grafting on in vitro primary ACL fibroblast behavior was evaluated by cell proliferation and fluorescence microscope images. The mechanical behavior was evaluated by tensile experiments in air and water, fatigue experiments and simulated walk efforts.

Results

The results show that poly(ε-caprolactone) bundles have their mechanical behavior changed by the different surface treatments and nature of mechanical stress. Although, compared with the values of the natural ligament, the poly(ε-caprolactone) has shown superior mechanical properties (Young's Modulus, elastic deformation and ultimate tensile stress) in all studied scenarios. In addition, the pNaSS-grafted surfaces presented a positive influence in the cell proliferation and morphology.

Conclusion

The pNaSS-grafted PCL has responded mechanical and biological requests for suitable ligament prosthesis material and could be considered as a promising alternative for ACL reconstruction.

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Keywords : Anterior cruciate ligament, Biodegradable polymer, Surface functionalization, Mechanical characterization, Walking simulation


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