Published October 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Elucidating osseointegration in vivo in 3D printed scaffolds eliciting different foreign body responses

  • 1. Second Affiliated Hospital of Nanchang University
  • 2. Nanchang University
  • 3. Walailak University
  • 4. First Affiliated Hospital of Zhengzhou University
  • 5. University of Nottingham

Description

Osseointegration between biomaterial and bone is critical for the clinical success of many orthopaedic and dental implants. However, the mechanisms of in vivo interfacial bonding formation and the role of immune cells in this process remain unclear. In this study, we investigated the bone-scaffold material interfaces in two different 3D printed porous scaffolds (polymer/hydroxyapatite and sintered hydroxyapatite) that elicited different levels of foreign body response (FBR). The polymer/hydroxyapatite composite scaffolds elicited more intensive FBR, which was evidenced by more FBR components, such as macrophages/foreign body giant cells and fibrous tissue, surrounding the material surface. Sintered hydroxyapatite scaffolds showed less intensive FBR compared to the composite scaffolds. The interfacial bonding appeared to form via new bone first forming within the pores of the scaffolds followed by growing towards strut surfaces. In contrast, it was previously thought that bone regeneration starts at biomaterial surfaces via osteogenic stem/progenitor cells first attaching to them. The material-bone interface of the less immunogenic hydroxyapatite scaffolds was heterogenous across all samples, evidenced by the coexistence of osseointegration and FBR components. The presence of FBR components appeared to inhibit osseointegration. Where FBR components were present there was no osseointegration. Our results offer new insight on the in vivo formation of bone-material interface, which highlights the importance of minimizing FBR to facilitate osseointegration for the development of better orthopaedic and dental biomaterials.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد التكامل العظمي بين المواد الحيوية والعظام أمرًا بالغ الأهمية للنجاح السريري للعديد من عمليات زراعة العظام والأسنان. ومع ذلك، لا تزال آليات تكوين الترابط البيني في الجسم الحي ودور الخلايا المناعية في هذه العملية غير واضحة. في هذه الدراسة، قمنا بالتحقيق في واجهات مواد السقالة العظمية في سقالات مسامية مختلفة ثلاثية الأبعاد مطبوعة (بوليمر/هيدروكسي أباتيت وهيدروكسي أباتيت متكلس) التي أثارت مستويات مختلفة من استجابة الجسم الغريب (FBR). أثارت السقالات المركبة من البوليمر/الهيدروكسي أباتيت المزيد من FBR المكثف، والذي تجلى في المزيد من مكونات FBR، مثل الخلايا البلعمية/الخلايا العملاقة للأجسام الغريبة والأنسجة الليفية، المحيطة بسطح المادة. أظهرت السقالات الهيدروكسيباتيت الملبدة FBR أقل كثافة مقارنة بالسقالات المركبة. بدا أن الترابط السطحي يتشكل عبر عظم جديد يتشكل أولاً داخل مسام السقالات متبوعًا بالنمو نحو أسطح الدعامات. في المقابل، كان يُعتقد سابقًا أن تجديد العظام يبدأ على أسطح المواد الحيوية عبر الخلايا الجذعية/السلفية العظمية المنشأ التي تلتصق بها أولاً. كانت الواجهة العظمية المادية لسقالات الهيدروكسيباتيت الأقل مناعة غير متجانسة في جميع العينات، كما يتضح من التعايش بين مكونات الاندماج العظمي و FBR. يبدو أن وجود مكونات FBR يمنع الاندماج العظمي. في حالة وجود مكونات FBR، لم يكن هناك تكامل عظمي. تقدم نتائجنا رؤية جديدة حول التكوين في الجسم الحي لواجهة المواد العظمية، مما يسلط الضوء على أهمية تقليل FBR لتسهيل الاندماج العظمي لتطوير مواد حيوية أفضل للعظام والأسنان.

Translated Description (French)

L'ostéointégration entre le biomatériau et l'os est essentielle au succès clinique de nombreux implants orthopédiques et dentaires. Cependant, les mécanismes de formation des liaisons interfaciales in vivo et le rôle des cellules immunitaires dans ce processus restent flous. Dans cette étude, nous avons étudié les interfaces du matériau de l'échafaudage osseux dans deux échafaudages poreux imprimés en 3D différents (polymère/hydroxyapatite et hydroxyapatite frittée) qui ont provoqué différents niveaux de réponse des corps étrangers (FBR). Les échafaudages composites polymère/hydroxyapatite ont suscité un FBR plus intensif, ce qui a été mis en évidence par davantage de composants FBR, tels que les macrophages/cellules géantes à corps étranger et les tissus fibreux, entourant la surface du matériau. Les échafaudages en hydroxyapatite frittée ont montré un FBR moins intensif par rapport aux échafaudages composites. La liaison interfaciale semblait se former par l'intermédiaire d'un nouvel os se formant d'abord dans les pores des échafaudages, puis se développant vers les surfaces des entretoises. En revanche, on pensait auparavant que la régénération osseuse commençait à la surface des biomatériaux via les cellules souches/progénitrices ostéogéniques qui s'y attachaient en premier. L'interface matériau-os des échafaudages d'hydroxyapatite moins immunogènes était hétérogène dans tous les échantillons, comme en témoigne la coexistence de l'ostéointégration et des composants FBR. La présence de composants FBR semble inhiber l'ostéointégration. Là où les composants FBR étaient présents, il n'y avait pas d'ostéointégration. Nos résultats offrent un nouvel éclairage sur la formation in vivo de l'interface os-matériau, ce qui souligne l'importance de minimiser le FBR pour faciliter l'ostéointégration pour le développement de meilleurs biomatériaux orthopédiques et dentaires.

Translated Description (Spanish)

La osteointegración entre el biomaterial y el hueso es fundamental para el éxito clínico de muchos implantes ortopédicos y dentales. Sin embargo, los mecanismos de formación de enlaces interfaciales in vivo y el papel de las células inmunitarias en este proceso siguen sin estar claros. En este estudio, investigamos las interfaces del material del andamio óseo en dos andamios porosos impresos en 3D diferentes (polímero/hidroxiapatita e hidroxiapatita sinterizada) que provocaron diferentes niveles de respuesta a cuerpos extraños (FBR). Los andamios compuestos de polímero/hidroxiapatita provocaron una FBR más intensa, lo que se evidenció por más componentes de FBR, como macrófagos/células gigantes de cuerpos extraños y tejido fibroso, que rodean la superficie del material. Los andamios de hidroxiapatita sinterizados mostraron una FBR menos intensiva en comparación con los andamios compuestos. La unión interfacial parecía formarse a través de hueso nuevo que se formaba primero dentro de los poros de los andamios, seguido de crecimiento hacia las superficies de los puntales. Por el contrario, anteriormente se pensaba que la regeneración ósea comienza en las superficies de los biomateriales a través de células madre/progenitoras osteogénicas que se unen primero a ellas. La interfaz material-hueso de los andamios de hidroxiapatita menos inmunogénicos fue heterogénea en todas las muestras, evidenciada por la coexistencia de componentes de osteointegración y FBR. La presencia de componentes FBR pareció inhibir la osteointegración. Cuando los componentes de FBR estaban presentes, no hubo osteointegración. Nuestros resultados ofrecen una nueva visión sobre la formación in vivo de la interfaz hueso-material, lo que destaca la importancia de minimizar la FBR para facilitar la osteointegración para el desarrollo de mejores biomateriales ortopédicos y dentales.

Files

1-s2.0-S2590006423002314-main.pdf.pdf

Files (17.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:4b65daafeae0475820a98dc27a916262
17.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
توضيح الاندماج العظمي في الجسم الحي في السقالات المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تثير استجابات مختلفة للأجسام الغريبة
Translated title (French)
Élucidation de l'ostéointégration in vivo dans des échafaudages imprimés en 3D suscitant différentes réponses de corps étrangers
Translated title (Spanish)
Elucidar la osteointegración in vivo en andamios impresos en 3D que provocan diferentes respuestas a cuerpos extraños

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4386003682
DOI
10.1016/j.mtbio.2023.100771

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1773385265
  • https://openalex.org/W1886319391
  • https://openalex.org/W1968720475
  • https://openalex.org/W1989796644
  • https://openalex.org/W1995063875
  • https://openalex.org/W1997491556
  • https://openalex.org/W2010425230
  • https://openalex.org/W2024133931
  • https://openalex.org/W2027069013
  • https://openalex.org/W2029781839
  • https://openalex.org/W2032542497
  • https://openalex.org/W2032599507
  • https://openalex.org/W2034602186
  • https://openalex.org/W2036557984
  • https://openalex.org/W2037180810
  • https://openalex.org/W2038134714
  • https://openalex.org/W2039461013
  • https://openalex.org/W2042474003
  • https://openalex.org/W2046232956
  • https://openalex.org/W2050729770
  • https://openalex.org/W2058522210
  • https://openalex.org/W2065751523
  • https://openalex.org/W2086699454
  • https://openalex.org/W2114200005
  • https://openalex.org/W2117851762
  • https://openalex.org/W2128447343
  • https://openalex.org/W2129277103
  • https://openalex.org/W2137846160
  • https://openalex.org/W2159210886
  • https://openalex.org/W2162166699
  • https://openalex.org/W2174617543
  • https://openalex.org/W2260141621
  • https://openalex.org/W2286738825
  • https://openalex.org/W2342679639
  • https://openalex.org/W2343832243
  • https://openalex.org/W2343938601
  • https://openalex.org/W2522157139
  • https://openalex.org/W2578989660
  • https://openalex.org/W2587573568
  • https://openalex.org/W2598087636
  • https://openalex.org/W2599718320
  • https://openalex.org/W2602412362
  • https://openalex.org/W2603358038
  • https://openalex.org/W2782456302
  • https://openalex.org/W2800101210
  • https://openalex.org/W2901341767
  • https://openalex.org/W2911667875
  • https://openalex.org/W2950956759
  • https://openalex.org/W2972365851
  • https://openalex.org/W3038675181
  • https://openalex.org/W3214454228
  • https://openalex.org/W4205390333
  • https://openalex.org/W4242740909
  • https://openalex.org/W4303857931