3D-printed biomimetic bone grafts: clinical validation and improvement strategies

Abstract

(English) Bone defects pose a major clinical and socio-economic burden and there is a clear need for new bone grafting strategies that take into account the physical-chemical properties of the native bone, to help treat bone defects in a time- and cost-effective way. Autografts are considered the gold standard due to their biological performance, however, additional surgical procedures for bone harvesting poses drawbacks. For this reason, the industrial- and scientific communities have focused on the development of synthetic bone grafting solutions. The present PhD thesis advances in the development of biomimetic personalised bone grafting solutions, including the clinical validation and the development of new material formulations with improved mechanical performance. Chapter 1: Gives an insight into the general context of bone regeneration and the materials used as bone substitutes, emphasising the need for innovative personalised synthetic bone grafts. This chapter offers an overview of additive manufacturing techniques and frequently employed ceramics in bone tissue engineering and their consolidation strategies. Further, a global presentation is given on their clinical translation, especially emphasising calcium phosphates and MimetikOss® 3D. Chapter 2: Focuses on evaluating the clinical performance of the 3D-printed bone graft MimetikOss® 3D in a horizontal vestibular augmentation. The ridge in the anterior maxilla is reconstructed with a synthetic patient-specific bone graft with a staged approach for dental implant placement. 3D-printed bone grafts permit a perfect fit in the surgical site without any additional shaping, which reduces surgery time compared with other bone augmentation techniques (e.g., guided bone regeneration, standard blocks). The bone graft is completely osseointegrated and its macropores colonised by newly formed bone at 10-months post-surgery without signs of encapsulation. A stable bone gain is achieved, resulting in a fully restored bone width. Dental implants were placed without the need for regrafting and stayed stable at 1- year post-loading, demonstrating the clinical relevance of these bone grafts in vestibular bone augmentations. Chapter 3: Encompasses two routes for incorporating PLGA, as a binder or as a coating, to 3D-printed self-setting scaffolds, taking advantage of their low-temperature hardening, to enhance their mechanical performance. The addition of PLGA increases the capacity for plastic deformation, which significantly improves their toughness (by a 2.6-fold and 4.2-fold change in flexion for PLGA as a binder and as a coating, respectively; and by an 8-fold and 1.6-fold change in compression, respectively), while preserving the in vitro cell viability of MimetikOss® 3D (with MG-63 and hMSC cells). The configuration with PLGA as binder is the better option regarding the enhancement in mechanical performance and osteogenic differentiation (2-fold and 1.5-fold change increase for ALPL and RUNX2 expressions, respectively). Screwability tests demonstrate that the enhanced mechanical properties increase the fixability of the scaffolds in a complex fixation indication in the jaw. Chapter 4: Discusses the impact, limitations, and challenges of 3D-printed biomimetic bone grafts and emphasises the steps remaining before transferring the new technology to the market. It is shown that the developments made in this PhD thesis can be beneficial for the patients and have a positive impact on society. Composite patient-specific bone grafts have an impact on cost, time and performance of the future bone grafting solutions, and they strive towards added value in personalised medicine. This will help treat complex and large bone defects in a way that benefits both the clinician and the patient and encourages sustainable healthcare based on synthetic biomaterials. This technology was protected by a filed patent application, however, there is still work left before it can be translated to the market.

(Català) Els defectes ossis suposen una càrrega assistencial i una despesa socioeconòmica important i, per tant, hi ha una clara necessitat de desenvolupar noves estratègies d'empelt ossi que tinguin en compte les propietats fisicoquímiques de l'os autòleg per aconseguir tractar els defectes ossis d'una manera més eficaç. Els autoempelts són considerats la opció de referència pel seu excel·lent rendiment biològic. Malgrat això, presenta greus inconvenients ja que requereixen d’una cirurgia addicional per a obtenir- los. Per aquest motiu, les comunitats industrial i científica s'han centrat en el desenvolupament de d'empelts ossis sintètics, aprofitant la facilitat de control químic, estructural i geomètric. La present tesi doctoral es centra en el desenvolupament d'empelts ossis biomimètics personalitzats, incloent la validació clínica i el desenvolupament de noves formulacions de materials amb un millor comportament mecànic. El capítol 1 dóna una visió global de l’estat de l’art de la regeneració òssia i els materials utilitzats com a substituts ossis, posant èmfasi en la necessitat de desenvolupar empelts ossis sintètics personalitzats innovadors. Aquest capítol ofereix una revisió de les tècniques de fabricació additiva i els materials ceràmics utilitzats més freqüentment en l'enginyeria de teixits ossis i les seves estratègies de consolidació. Es presenta la seva transferència a l’entorn clínic, focalitzant-se en els fosfats de calci i en MimetikOss® 3D. El capítol 2 es centra en avaluar el comportament clínic de l'empelt ossi ceràmic imprès en 3D MimetikOss® 3D en un augment vestibular horitzontal. Aquests empelts ossis permeten un encaix perfecte en el lloc quirúrgic sense cap necessitat de fresat addicional, la qual cosa redueix el temps de cirurgia en comparació amb altres tècniques de regeneració òssia (regeneració òssia guiada, blocs estandarditzats). L'empelt ossi està completament osteointegrat i els seus macropors són colonitzats per l'os 10 mesos després de la cirurgia sense signes d'encapsulació. S'aconsegueix una reconstrucció estable en volum, que resulta en una restauració completa del gruix original de la cresta òssia. Els implants dentals es col·loquen sense necessitat de reempeltar i es mantenen estables després d’1 any, demostrant l’eficàcia clínica d'aquests empelts ossis en reconstruccions òssies vestibulars. En el capítol 3 s’estudien diferents maneres d’incorporar PLGA, com a lligant o com a recobriment, a bastides impreses en 3D, aprofitant el seu enduriment a baixa temperatura, per tal de millorar el seu comportament mecànic. L’addició de PLGA millora significativament la tenacitat de l’estructura (increment de 2.6 i 4.2 vegades en flexió incorporant el PLGA com a lligant i com a recobriment, respectivament; i una millora de 8 i 1.6 vegades en compressió, respectivament), alhora que es conserva la viabilitat cel·lular in vitro que presenta el producte MimetikOss® 3D (amb cèl·lules MG-63 i hMSC). La configuració amb PLGA com a lligant és la millor opció pel que fa a la millora en el comportament mecànic i la diferenciació osteogènica (canvi de x2 en expressió d’ALPL). Les proves de fixació per cargolament demostren que les propietats mecàniques millorades augmenten la fixació de les peces en una indicació de fixació complexa a la mandíbula. En el capítol 4 es discuteix l’impacte, les limitacions i els reptes dels empelts biomimètics impresos en 3D. Es demostra que els avenços aconseguits durant aquesta tesi doctoral poden tenir un impacte positiu en cost, temps i rendiment de les futures estratègies basades en empelts ossis. Aquests resultats ajudaran a tractar defectes ossis complexos i de grans dimensions, de manera que beneficiï tant al clínic com al pacient i fomenti una atenció sanitària sostenible basada en biomaterials sintètics i en medicina personalitzada. Aquesta tecnologia ha estat protegida per una sol·licitud de patent, no obstant, encara queda feina abans que pugui ser transferida al mercat.

(Español) Los defectos óseos suponen una carga asistencial y un gasto socioeconómico importante y, por eso, existe una necesidad de desarrollar nuevas estrategias de injerto óseo que tengan en cuenta las propiedades fisicoquímicas del hueso autólogo, para conseguir tratar los defectos óseos de una manera más eficaz. Los autoinjertos se consideran el estándar de referencia debido a su excelente comportamiento biológico. No obstante, presentan graves inconvenientes, requerido de una cirugía adicional para su obtención. Por este motivo, las comunidades industrial y científica se han centrado en el desarrollo de injertos óseos sintéticos, aprovechando su capacidad de control químico, estructural y geométrico. La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de injertos óseos biomiméticos y personalizados, incluyendo la validación clínica y el desarrollo de nuevas formulaciones de materiales con comportamiento mecánico mejorado. En el capítulo 1 se presenta el estado del arte en el campo de la regeneración ósea y los materiales utilizados como sustitutos óseos, enfatizando la necesidad de injertos óseos sintéticos personalizados innovadores. Este capítulo describe las técnicas de fabricación aditiva y los cerámicos frecuentemente empleados en la ingeniería de tejido óseo y sus estrategias de consolidación. Se presenta su transferencia al mundo clínico, haciendo hincapié en el fosfato de cálcico y MimetikOss® 3D. El capítulo 2 se centra en evaluar el comportamiento clínico del injerto óseo cerámico personalizado MimetikOss® 3D en un aumento vestibular horizontal. Los injertos óseos impresos en 3D permiten un ajuste perfecto en el lecho quirúrgico sin necesidad de fresado adicional, lo que reduce el tiempo de la cirugía en comparación con otras técnicas de reconstrucción ósea (regeneración ósea guiada, bloques estándar). El injerto óseo está completamente osteointegrado y sus macroporos son colonizados por hueso 10 meses después de la cirugía sin signos de encapsulación. Se logra una ganancia ósea estable que resulta en una restauración completa del grosor original de la cresta ósea. Los implantes dentales se mantienen estables 1 año después, lo que demuestra la relevancia clínica de estos injertos óseos en los aumentos óseos vestibulares. En el capítulo 3 se estudian diferentes maneras de incorporar PLGA, como ligante o como recubrimiento, a los andamios auto fraguados impresos en 3D, aprovechando su endurecimiento a baja temperatura, para mejorar su rendimiento mecánico. La adición de PLGA mejora la tenacidad de los andamios (con un aumento de x2.6 y x4.2 en la flexión para el PLGA como ligante y como recubrimiento, respectivamente; y una mejora de x8 y x1.6 en compresión, respectivamente), preservando la viabilidad celular in vitro de MimetikOss® 3D (con células MG-63 y hMSC). La configuración con PLGA como ligante es la mejor opción por lo que respecta a la mejora en el rendimiento mecánico y la diferenciación osteogénica (aumento de x2 de expresión génica de ALPL). Las pruebas de atornillabilidad demuestran que las propiedades mecánicas mejoradas aumentan la capacidad de fijación de los andamios en una indicación de fijación compleja en mandíbula. En el capítulo 4 se analiza el impacto, las limitaciones y los desafíos de los injertos óseos biomiméticos impresos en 3D y la transferencia al mercado la nueva tecnología. Se demuestra que los avances realizados en esta tesis doctoral pueden tener un impacto positivo en términos de costo, tiempo y rendimiento de las futuras soluciones de injertos óseos. Esto ayudará a tratar defectos óseos grandes y complejos de una manera que beneficie tanto al médico como al paciente y fomente una atención sanitaria sostenible basada en biomateriales sintéticos y en medicina personalizada. Esta tecnología ha sido protegida por una solicitud de patente, sin embargo, aún queda trabajo por hacer antes de que pueda ser transferida al mercado.