Bioactive glass S53P4 scaffolds : a preclinical study of S53P4 scaffolds and their potential use as a bone graft substitute in an induced membrane technique

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7490-1
Title: Bioactive glass S53P4 scaffolds : a preclinical study of S53P4 scaffolds and their potential use as a bone graft substitute in an induced membrane technique
Author: Björkenheim, Robert
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Department of Surgery, Helsinki University Hospital, Finland
Doctoral Program in Clinical Research
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-10-08
Language: en
Belongs to series: Dissertationes scholae doctoralis ad sanitatem investigandam universitatis helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7490-1
http://hdl.handle.net/10138/334267
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Background and aim The treatment of bone defects is challenging regardless of the aetiology of the defect. Traditionally, long-bone defects are treated with autologous bone grafting, vascular bone grafting, distraction osteogenesis, or with tumour prosthesis techniques. New treatment modalities are emerging and the induced membrane technique (Masquelet technique, IMT) has been presented to treat large long-bone defects. The IMT is a two-staged surgical procedure where the induced membrane is regarded as the key element. In the first stage, the bone defect area is carefully debrided, supplemented with proper soft-tissue reconstruction, and filled with a polymethylmetacrylate (PMMA) spacer. This PMMA spacer induces the formation of a foreign body membrane around the bone defect, i.e. an induced membrane (IM). The IM conveys neovascularization to the bone defect site, isolates the bone defect site hindering bone graft resorption, serves as a source of mesenchymal stem cells (MSC), and provides an osteogenic stimulative effect via secretion of bone morphogenic proteins (BMP). In the second stage, typically 4 to 8 weeks after the initial surgery, the IM is carefully incised, the PMMA spacer removed, and the defect filled with autologous bone graft. To replace the two-staged procedure and to eliminate the need for autologous bone grafting, we developed a bioactive glass (BAG) scaffold by sintering BAG-S53P4 granules for use in a single-stage IMT without the need for autologous bone graft. Furthermore, selected scaffolds were coated with poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) to increase the mechanical properties of the scaffold and to potentially induce a more potent IM compared to BAG-S53P4 alone. We sought to introduce a BAG scaffold that can induce a membrane similar to PMMA and that allows bone formation at the bone defect site in the metaphyseal area of a long bone. Materials and methods The present study consists of in vitro and in vivo evaluations of BAG-S53P4(±PLGA) scaffolds. The in vitro study was conducted on macrophages and MSCs to evaluate the immunomodulatory and osteogenic effects of BAG scaffolds. The in vivo study was conducted on New Zealand White (NZW) rabbits to assess IM formation and bone formation in a bone defect model located in the metaphysis of a long bone. Results The BAG-S53P4 scaffolds demonstrated a clear immunomodulatory and osteogenic effect on macrophages and MSCs, respectively, and this effect was attenuated by the PLGA coating. The in vitro results of osteogenic ability were similar as those from the in vivo experiments in rabbits. New bone formation was observed in BAG-S53P4(±PLGA) scaffolds at the 2-week timepoint, and bone formation increased during the 8-week follow up. The IMs of PMMA and BAG-S53P4(±PLGA) had a similar appearance in microscopic evaluations throughout follow up. The aforementioned IMs were less fibrotic and displayed more abundant capillary formation than control samples during follow up. The highest number of capillaries at the 8-week timepoint was observed in BAG-S53P4-PLGA IMs. The IMs of BAG-S53P4(±PLGA) showed similar or superior mRNA expression rates when compared with PMMA IMs regarding tumour necrosis factor alpha (TNFα), vascular endothelial growth factor (VEGF), and BMP-2, -4, and -7. Conclusion In this study, the sintered BAG-S53P4(±PLGA) scaffold addresses the key requirements of successful bone regeneration in the metaphyseal area of long bones, namely sintered BAG-S53P4(±PLGA) scaffolds are osteoconductive; induces a membrane that serves as a source of inflammatory mediators and growth factors; has the capacity to stimulate MSCs towards osteogenic differentiation (osteostimulation); and immunomodulates inflammatory cells that can possibly be tailored for a specific clinical need. Thus, BAG-S53P4(±PLGA) scaffolds demonstrate the requisite properties for potential use as a bone graft substitute in a IMT performed in a single-stage fashion.Tutkimuksen tausta ja tavoite Luupuutos voi olla seurausta vammasta, infektiosta, kasvaimesta tai näiden kirurgisesta hoidosta. Luupuutosten hoitomenetelmät ovat vakiintumattomat. Luupuutoksia on perinteisesti hoidettu luusiirteillä, verisuonitetuilla luusiirteillä, ulkoisella kiinnityslaitteella tapahtuvalla veto-osteogeneesilla tai keinonivelratkaisuin. Uusista hoitomenetelmistä indusoitu kalvo -tekniikan (Masquelet-tekniikka) on esitetty olevan toimiva pitkien luiden luupuutoksissa. Masquelet-tekniikka on kaksivaiheinen leikkaustekniikka, jonka ensimmäisessä vaiheessa luupuutosalue täytetään PMMA (polymetyylimetakrylaatti) -luusementillä, joka kehittää vierasesinereaktion avulla luupuutosalueen ympärille ns. indusoidun kalvon. Muodostuttuaan kalvo ohjaa verisuonitusta, toimii kantasolujen lähteenä, sekä tuottaa kasvutekijöitä luupuutosalueelle. Leikkaustekniikan toisessa vaiheessa kalvo avataan ja PMMA-luusementti poistetaan, jonka jälkeen kalvon sisään asetetaan luusiirrettä täyttämään luupuutosalue. Olemme kehittäneet BAG-S53P4 -biolasi rakeita käyttäen keinoluusiirteen, jonka avulla mahdollistetaan yksivaiheinen Masquelet-tekniikka ilman erillistä tarvetta luusiirteelle. Lisäksi osa biolaseista on päällystetty poly(DL-lactide-co-glycolide) (PLGA) -polymeerillä, jonka avulla lisätään biolasin mekaanisia kestävyysominaisuuksia, sekä mahdollisesti indusoidaan bioaktiivisempi kalvo verrattuna ei-päällystettyyn biolasiin. Tämän tutkimuksen tavoitteena on osoittaa että BAG-S53P4(±PLGA) biolasi voi kehittää luupuutosalueen ympärille bioaktiivisen kalvon, joka on verrattavissa PMMA-luusementin kehittämään kalvoon. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena on todentaa että BAG-S53P4(±PLGA) biolasin sisään muodostuu luukasvua. Aineisto ja menetelmät Tämä tutkimus koostuu soluviljely- ja koe-eläintutkimuksista. Soluviljelytutkimuksessa selvitimme BAG-S53P4(±PLGA) -biolasin vaikutuksia tulehdusreaktioon sekä kantasolujen erilaistumiseen luuta muodostaviksi soluiksi. Koe-eläintutkimuksen tavoitteena oli selvittää indusoituneen kalvon ominaisuuksia sekä luun muodostumista BAG-S53P4(±PLGA) biolasin sisälle luupuutosmallissa. Tulokset BAG-S53P4 -biolasilla todettiin olevan sekä selvä tulehdusreaktiota muokkaava että luunmuodostusta stimuloiva vaikutus. Päällystämällä BAG-S53P4 -biolasi PLGA:lla em. vaikutukset vaimenivat. BAG-S53P4(±PLGA) -biolasin ympärille muodostuneen kalvon todettiin olevan verrattavissa PMMA-indusoituun kalvoon. Lisäksi osoitimme selvää uudisluumuodostusta luupuutosalueella sijaitsevan BAG-S53P4(±PLGA) -biolasin sisällä. Yhteenveto Tutkimuksessa osoitimme, että BAG-S53P4(±PLGA) -biolasi tukee luunmuodostusta luupuutosalueella, kykenee muodostamaan tehokkaan bioaktiivisen kalvon luupuutosalueen ympärille, kykenee stimuloimaan kantasoluja kypsymään luutamuodostaviksi soluiksi, sekä muokkaamaan luupuutoalueen tulehdusvastetta. Täten BAG-S53P4(±PLGA) -biolasilla on tarvittavat ominaisuudet mahdollistamaan sen käytön keinoluusiirteenä yksivaiheisessa Masquelet-tekniikassa. BAG-S53P4(±PLGA) -biolasia käyttämällä vältetään sekä kaksivaiheinen leikkaus että tarve erilliselle luusiirteen käytölle.
Subject: lääketiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
björkenheim_robert_dissertation_2021.pdf 9.795Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record