Biomimetic bone grafts: from the lab to the clinic

Abstract

Bone grafting is a common medical practice in today’s society, being bone the second most transplanted tissue worldwide after blood. Therefore, it represents a field of major interest for both, biomedical research and the biomedical industry. Despite the ability of bone to self-heal, in some scenarios where defects are large or complex, bone grafts are essential for a successfully regeneration. Although autografting is still today the gold standard in terms of biological performance, the limited availability and morbidity associated with this practice drive to search for alternatives. Synthetic grafts arise as a promising option due to their unlimited availability and the possibility to tune their structure and composition for optimal performance. The present thesis explores biomimetic calcium deficient hydroxyapatite (CDHA), a promising material for synthetic bone grafts, in a translational-oriented perspective. Two product presentations are studied: A more conventional granulated conformation and a 3D printed personalised format. Chapter 1 offers a brief overview of bone biology, as well as a state of the art of the currently available bone grafting strategies found in the literature. Chapter 2 focuses on the validation of the in vivo performance of CDHA granules compared to the well- established bovine xenograft particulate grafts in a dental indication in miniature swine. It is concluded that both biomaterials meet the requirements for bone grafting, (i.e., biocompatibility, osseointegration, and osteoconduction). Moreover, it is revealed that granule morphology is a key factor to ensure the preservation of the grafted volume. In the following chapters, the focus is moved to the 3D printed personalised CDHA bone grafts. Chapter 3 investigates different approaches to accelerate the consolidation process of the 3D printed grafts in order to make the technology more suitable for industrial applications, and develops a hydrothermal treatment that reduces the reaction time to 30 minutes instead of the 7 days needed in the biomimetic approach. Despite the slight differences in physicochemical properties associated to this approach (e.g., microstructure, crystalline phase, microporosity, specific surface area), the resulting scaffolds support adhesion and proliferation of rat mesenchymal stem cells, suggesting its potential as bone graft substitutes. In Chapter 4 the hydrothermal route introduced in the previous chapter is compared to the long-established biomimetic treatment in terms of the in vivo performance of the 3D-printed scaffolds through orthotopic implantation in rabbit condyle monocortical defects. The samples treated with this new process, in addition to the excellent biocompatibility, osseointegrative and osteoconductive properties characteristic of biomimetic CDHA, exhibit a significantly higher amount of newly formed bone than the biomimetic counterpart. This enhanced performance is attributed to the higher permeability of the microstructure, as demonstrated with a protein adsorption test. Chapter 5 explores a strategy to enhance the degree of concavity and specific surface area of 3D printed structures obtained by microextrusion, by using nozzles with non-circular cross-sections. Besides achieving the intended purpose and characterising the 3D-printed structures, different technical constraints for the printing process associated to the use of non-circular nozzles are identified. In a further step, this developed technology is applied to the fabrication of 3D-printed bone grafts with concave filament surfaces and tested in vivo in a rabbit condyle orthotopic model in Chapter 6. It is found that using strands with star-shaped cross-sections helps to guide bone, enhancing the osteoconductive properties of the scaffolds. Finally, Chapter 7 summarises all the work carried out in this thesis to transfer the 3D printing technology of synthetic bone grafts to the market, turning it into a commercially available product.

L'ús d'empelts ossis és cada vegada més freqüent: l'os és el segon teixit més trasplantat del món, després de la sang. Per això, aquesta pràctica atreu un gran interès tant a nivell de recerca com per a la indústria biomèdica. En casos en què els defectes són massa grossos o complexos, l'ús d'empelts ossis és essencial per aconseguir una bona regeneració. Malgrat que els autoempelts segueixen sent el tractament de primera elecció, la seva disponibilitat limitada així com la morbiditat associada fan necessari buscar altres solucions. Els empelts sintètics sorgeixen com una alternativa prometedora, donada la seva àmplia disponibilitat i la possibilitat de modificar-ne l'estructura i la composició per obtenir un rendiment òptim. En aquesta tesi s'estudia la hidroxiapatita biomimètica deficient en calci (CDHA) per a la fabricació d'empelts ossis sintètics, des d'una perspectiva orientada a la recerca translacional. S'estudien dues presentacions diferents del producte: una configuració en forma de grànuls i un format personalitzat obtingut per impressió 3D. El Capítol 1 recull una descripció general de la biologia de l'os, juntament amb l'estat de l'art de les diferents estratègies d'empelts ossis que es poden trobar a la literatura. El Capítol 2 se centra en l'estudi de la resposta in vivo de grànuls de CDHA, en comparació amb el xenoempelt boví amb més reconeixement mèdic, en una indicació dental en porcs en miniatura. L'estudi conclou que ambdós biomaterials compleixen els requisits d'un empelt ossi, i.e., biocompatibilitat, osteointegració i osteoconducció. A més, es demostra que la morfologia dels grànuls és un factor clau per assegurar la preservació del volum empeltat. En el Capítol 3 s'investiguen diferents processos per accelerar la consolidació dels empelts impresos en 3D per tal d'aconseguir una tecnologia més adient per a aplicacions industrials, i es desenvolupa un tractament hidrotèrmic que redueix el temps de reacció dels 7 dies necessaris per mètodes biomimètics a només 30 minuts. Amb el nou tractament s'observen petites diferències en les propietats fisicoquímiques (per exemple, en la microestructura, en la fase cristal·lina, la microporositat o la superfície específica), però els empelts obtinguts permeten l'adhesió i la proliferació de cèl·lules mare de rata, que indica que són una solució viable com a substituts ossis. En el Capítol 4 el procés hidrotèrmic introduït al capítol anterior es compara amb el tractament biomimètic in vivo mitjançant la implantació ortotòpica d'empelts 3D en defectes monocorticals en còndils de conills. Les mostres tractades amb aquest nou procediment, a més de presentar l'excel·lent biocompatibilitat i les propietats osteointegratives i osteoconductives pròpies de la CDHA biomimètica, també mostren una quantitat significativament més gran de teixit ossi neoformat que la seva contrapart. Aquestes diferències s'atribueixen a la major permeabilitat de la microestructura, tal com es demostra en un assaig d'absorció de proteïnes. En el Capítol 5 s'estudia una estratègia per millorar tant el grau de concavitat com la superfície específica d'estructures impreses en 3D obtingudes per microextrusió. Per això, s'utilitzen broquets d'extrusió amb seccions transversals no circulars. A més d'aconseguir-ho i caracteritzar les propietats de les estructures impreses, s'identifiquen un conjunt de restriccions tècniques associades a l'ús de broquets no circulars. En un pas més, aquesta estratègia s'aplica a la fabricació d'empelts ossis amb superfícies de filament còncaves i, en el Capítol 6, s'assaja in vivo en un model ortotòpic de còndil de conill. S'observa que utilitzar filaments amb una secció transversal en forma d'estrella ajuda a guiar l'os i millora les propietats osteoconductives dels empelts. Finalment, el Capítol 7 resumeix la feina duta a terme al llarg de la tesi per transferir la tecnologia d'impressió 3D d'empelts ossis sintètics, convertint-lo en un producte disponible comercialment.