Mandibular reconstruction using bioactive 3-D printed porous polyetherketone scaffolds and mesenchymal stem cells

Objective: Additive manufacturing (or 3D Printing, 3DP) offers a tailored approach to tissue engineering by providing anatomically precise, scaffolds onto which stem cells and growth factors can be supplied. Polyetherketoneketone (PEKK), an ideal candidate biomaterial, is limited by a poor implant-bone interface, but can be functionalized with adipose-derived stem cells (ADSC) to promote integration. This study examined the interaction of mesenchymal stem cells with 3DP polyetherketone scaffolds. A subsequent in vivo study was done studying the 3DP PEKK/ADSC composite within the critical-sized mandibular defect of a rabbit model.Study Design/Methods: After characterization of stem cells using alamar blue, alkaline phosphatase and scanning electron microscopy, twelve trapezoidal porous scaffolds with dimensions of 1.5 x 1.0 x 0.5 cm were printed using selective laser sintering (SLS). ADSCs were seeded on the scaffolds that were then implanted in marginal defects created in New Zealand rabbits. Rabbits were euthanized at 10- and 20-week intervals. Microcomputed tomography (microCT) was used to characterize bone ingrowth and was correlated with histological analysis. Stress testing was performed on the scaffolds before and after implantation. Results: PEEK scaffolds maintained the viability of both ADSCs and bone marrow-derived stem cells (BMSCs); however, ADSCs demonstrated higher osteodifferentiation than BMSCs. All scaffolds with ADSCs were well integrated into adjacent bone. Bone-to-tissue volume increased from 30.34% (+/-12.46) to 61.27% (+/-8.24) and trabecular thickness increased from 0.178 mm (+/-0.069) to 0.331 mm (+/-0.0306) in the 10 and 20-week groups, respectively compared to no bone regrowth on the control side (p<0.05). Histology confirmed integration at the bone-implant interface. Biomechanical testing revealed a compressive resistance fifteen times that of bone alone (p <0.05) Conclusion: 3D-printed PEKK scaffolds combined with ADSCs present a promising solution to improve the bone-implant interface and increase the resistance to forces of mastication after mandibular reconstruction. Objectif: L’impression 3D (I3D) offre une approche unique à la reconstruction des défauts cervicofacials en fournissant des échafaudages anatomiquement précis sur lesquels des cellules souches et des facteurs de croissance peuvent être cultivé. Le polyetherketoneketone (PEKK), un candidate idéal, est limitée par leur mauvaise intégration avec l'os adjacent, mais peut être « fonctionnalisée » avec des cellules souches dérivées d'adipose (ADSC) pour favoriser l'intégration. Cette étude a examiné l'interaction des cellules souches mésenchymateuses avec les échafaudages 3DP polyetherketone. Une étude in vivo ultérieure a été effectuée en étudiant le composite 3DP PEKK / ADSC dans le défaut mandibulaire de taille critique d'un modèle de lapin.Méthode: Après la caractérisation des cellules souches utilisant du « alamar blue », « alkaline phosphatase » et « scanning electron microscopy », on a imprimé douze échafaudages poreux trapézoïdaux avec des dimensions de 1,5 x 1,0 x 0,5 cm en utilisant « selective laser sintering » (SLS). Les ADSC ont été isolées de lapins et cultivées sur ces échafauds. Des défauts de taille critique ont été créés de chaque côté ; les échafauds ont été implantés sur la droite, la gauche servant de contrôle. À des intervalles de 10 et 20 semaines, un microCT, une analyse histologique et des tests de résistance ont été faits pour caractériser la croissance osseuse.Résultats: Les échafaudages PEEK ont maintenu la viabilité des ADSC et des BMSC; Cependant, les ADSC ont démontré une ostéodifférenciation plus élevée que les BMSC. Tous les échafaudages avec ADSC ont bien intégrés dans l'os adjacent. Le volume des tissus osseux a augmenté de 30,34% (+/- 12,46) à 61,27% (+/- 8,24) et l'épaisseur trabéculaire a augmenté de 0,178 mm (+/- 0,069) à 0,331 mm (+/- 0,0306) dans le 10- et les groupes de 20-semaines, respectivement par rapport à la non-croissance osseuse du côté controle (p <0,05). L'histologie a confirmé l'intégration à l'interface os-implant. Les tests biomécaniques ont révélé une résistance à la compression quinze fois celle de l'os seul (p