Development of a resorbable and bioactive personalized 3D-printed implant for guided bone regeneration

Abstract

(English) The restoration of the functionality of lost teeth is mainly accomplished placing dental implants. However, in the case of alveolar bone atrophies, this treatment might not be possible. Various treatments have been developed to increase the alveolar bone volume to allow the placement of implants. Among them, guided bone regeneration (GBR) gained special interest due to its simplicity and predictability of the augmented bone. The principle of GBR involves the use of 1) a barrier to physically maintain separated soft tissue cells from bone cells, and 2) bone grafts. Barriers are also used for creating space for the bone grafts, maintaining their stability and allowing the angiogenesis process. The main disadvantages associated with barriers are the need for a second surgery for their removal, in the case of non-resorbable barriers and the uncontrolled degradability of the resorbable ones. In addition, barrier membranes have a low capacity to maintain mechanical stability when used for large bone defects. With the irruption of the CAD/CAM approach and additive manufacturing, personalized titanium meshes gained interest, reaching promising outcomes. However, they still have the drawback of performing a second surgery. The bone graft used in combination with barriers in GBR can be obtained from different sources. However, autologous grafts are currently considered the gold standard, despite their drawbacks, which include morbidity, additional pain, and limited availability. Therefore, there is a need for a personalized and resorbable implant for GBR that possesses sufficient mechanical properties to maintain stability throughout the regeneration process. Additionally, this implant should be bioactive to stimulate bone regeneration. In the current thesis, we studied the use of Polycaprolactone (PCL), a biocompatible synthetic resorbable polymer with suitable mechanical and processability properties, to be used as an implant for GBR, using 3D printing technology. Moreover, to improve the bioactive properties of these implants, we combined PCL with three different inorganic particles based on calcium and calcium phosphate. After particle dispersion into the PCL was assessed, 3D printing parameters were obtained to produce scaffolds with interconnected porosity. The degradation of the scaffolds was studied for one year, showing stable behaviour in terms of mechanical properties. Some of the developed scaffolds showed a sustained mass loss. All the scaffolds showed in vitro biocompatibility when tested with both human mesenchymal stem cells and gingival fibroblasts. An improved metabolic activity was observed by the addition of particles. Scaffolds showing higher levels of alkaline phosphatase, monocytes chemoattractant protein-1 and osteopontin were identified and further evaluated in vivo. The subcutaneous mice model showed that all the scaffolds were biocompatible. The bone formation capacity of these scaffolds was assessed using a calvarial defect mice model. The results obtained were in line with the previous in vitro findings in terms of new bone formation. Finally, the scalability to industrial production of these scaffolds was studied by fabricating implants with geometries from clinical cases. Also, the effect of an established industrial sterilization method on the scaffolds' properties, and the implementation of the implant fabrication protocol within the industrial workflow were assessed. In conclusion, we examined various scaffolds based on the combination of PCL and bioactive particles for their potential as GBR implants, selecting the most promising ones for their further development.

(Español) La recuperación de la funcionalidad ante la pérdida de piezas dentales es tratada principalmente con la colocación de implantes dentales. Sin embargo, en el caso de atrofias en el hueso alveolar, su colocación puede ser inviable. Existen diversos tratamientos para aumentar el volumen de hueso alveolar permitiendo la colocación de implantes. Entre ellos, la regeneración ósea guiada (GBR) ha ganado especial interés debido a su simplicidad y predictibilidad del volumen de hueso aumentado. Los principios de la GBR se basan en el uso de 1) barreras que físicamente mantienen separadas las células de los tejidos blandos de las células óseas, e 2) injertos óseos. Las barreras también son usadas para crear el espacio destinado al injerto óseo, mantener su estabilidad y permitir el proceso de angiogénesis. Las principales desventajas asociadas con las barreras son la necesidad de una segunda operación para su extracción, en el caso de barreras no-reabsorbibles, y la degradación incontrolada para las reabsorbibles. Además, las barreras tipo membrana tienen una baja capacidad de mantener la estabilidad mecánica cuando son usadas en defectos óseos severos. Con la irrupción de la digitalización CAD/CAM y la fabricación aditiva, las mallas de titanio personalizadas ganaron interés debido a sus prometedores resultados. Sin embargo, siguen manteniendo la desventaja de necesitar una segunda operación para su extracción. El injerto óseo usado en combinación con las barreras para la GBR puede ser de distintos orígenes. No obstante, el injerto autólogo sigue siendo el referente a pesar de sus inconvenientes, los cuales incluyen morbilidad, dolor adicional y disponibilidad limitada. Es por ello que existe la necesidad de un implante personalizado y reabsorbible para la GBR, con suficientes propiedades mecánicas para mantener la estabilidad durante el proceso de regeneración. Además, el implante debería ser bioactivo para estimular la regeneración del hueso. En la presente tesis hemos estudiado el uso de la policaprolactona (PCL), un polímero sintético biocompatible y reabsorbible con idóneas propiedades de procesabilidad y mecánicas para ser usado en GBR, empleando la impresión 3D. Además, para aportar al implante propiedades bioactivas, hemos combinado la PCL con tres partículas inorgánicas basadas en calcio y fosfato de calcio. Evaluada la dispersión de las partículas en la PCL, se obtuvieron los parámetros de impresión 3D para obtener andamios con porosidad interconectada. La degradación de los andamios fue estudiada durante un año, manteniéndose estables sus propiedades mecánicas. Algunos de los andamios presentaron una pérdida de masa sostenida. Todos los andamios resultaron biocompatibles al ser estudiados in vitro con células madre mesenquimals y fibroblastos de encía, ambas humanas. La adición de las partículas evidenció un aumento en la actividad metabólica de las células. Los andamios en que destacaron los niveles más altos de fosfatasa alcalina, proteína quimioatrayente de monocitos 1 y osteopontina fueron identificados y posteriormente evaluados in vivo. De acuerdo con el modelo subcutáneo en ratón todos los andamios fueron biocompatibles; mientras que la capacidad de formación de hueso fue evaluada con el modelo de defecto en calvaria en ratón, obteniendo resultados similares a los observados previamente in vitro, de acuerdo con los resultados de nuevo hueso formado. Finalmente se estudió la escalabilidad industrial de la fabricación de andamios para obtener implantes con las geometrías de casos clínicos. Además, se estudió el efecto en las propiedades de los andamios por parte de un proceso industrial de esterilización, así como la implementación del método de fabricación de los implantes en el flujo de producción industrial. En conclusión, se evaluaran distintos andamios producidos a partir de PCL y partículas bioactivas, identificando la condición más prometedora para la continuación de su desarrollo como implantes para GBR.