Polysaccharid-template-structured bioactive ceramics with modified surfaces - an animal study

Hintergrund und Ziele Hohe Morbidität bei der Gewinnung und begrenzte Verfügbarkeit von autologem Knochen fördern die Entwicklung immer neuer synthetischer Knochenersatzmaterialien. In der vorliegenden Arbeit sollte das Einheilverhalten dreidimensionaler Cellulosegewirke mit neuartigen Beschichtungsmethoden auf Basis von bioaktivem Glas mit modernen Wirkstoffen wie Pamidronat und Strontium untersucht werden. Material und Methoden Als Tierversuchsmodell wurde das Hausschwein gewählt, bei dem im Bereich des Os frontale Critical-size Defekte gesetzt wurden. Diese wurden anschließend durch Bioglas beschichtete, mit Strontium bzw. Pamidronat modifiziertem Bioglas beschichteten, mit Strontium direkt funktionalisierten, sowie mit unbehandelten Cellulosegewirken gefüllt. Die gewonnenen Knochenproben wurden an den postoperativen Tagen 3, 7, 14, 30, und 90 mikroradiographisch und histologisch untersucht. Zusätzlich wurde die Expression der Knochenmatrixproteine BMP 2/4, Kollagen I, Osteocalcin und Osteopontin immunhistologisch bestimmt. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Die untersuchten Materialien zeigten weder Osteokonduktivität oder Osteoinduktivität, noch wiesen sie eine Osseointegration auf. Der neu gebildete Knochen konnte nicht zwischen die Cellulosefasern vordringen, die Gewirke wurden lediglich komprimiert. Somit sind sie als Knochenersatzmaterialien ungeeignet. Die Bioglasbeschichtungen wurden langsam über den ganzen Untersuchungszeitraum hin abgebaut, so dass von einer kontinuierlichen Abgabe von Pamidronat und Strontium ausgegangen werden kann. Dies stellt ein vielversprechendes zuverlässiges Slow-Release-System zur lokalen Applikation von Pharmaka dar, das weiter untersucht werden sollte.Background and objective The high morbidity of harvesting autologeous donor tissues and the limited availability promote the steady development of new synthetic bone grafts. It was the aim of the present study to evaluate the healing properties of cellulose-based scaffolds coated with pure sodium silicate gel, sodium silicate gels accumulated with different concentrations of the bisphosphonate pamidronate and strontium and directly coated with strontianite. Study design An animal model in domestic pigs was chosen. Monocortical critical size bone defects were created in the calvaria. Those were filled with sodium silicate gel coated, strontium and pamidronate modified sodium silicate gel coated, pure strontianite coated and unmodified knitted cellulose fibres. The harvested bone samples were investigated histological and via microradiographs on postoperative days 3, 7, 14, 30 and 90. Additionally the expression of the bone morphogenetic proteins BMP 2/4, collagen I, osteocalcin and osteopontin were determinated. Results and Conclusions The tested biomaterials showed neither osteoconductive or osteoinductive properties, nor osseointegration. The newly formed bone was unable to penetrate between the cellulose yarns. Only a compression of the scaffolds was observed. Therefore, the tested Biomaterials can not be considered fit for use as bonegrafts. The sodium silicate gel coatings were degraded steady and slow through the whole duration of the study, so a steady delivery of pamidronate and strontianite could be proposed. This makes for a promising and reliable slow-release system for local drug delivery, which should be investigated further