Reconstruction of cranial bone defects with fiber-reinforced composite–bioactive glass implants

Abstract

A cranial bone defect may result after an operative treatment of trauma, infection, vascular insult, or tumor. New biomaterials for cranial bone defect reconstructions are needed for example to mimic the biomechanical properties and structure of cranial bone. A novel glass fiber-reinforced composite implant with bioactive glass particulates (FRC–BG, fiber-reinforced composite–bioactive glass) has osteointegrative potential in a preclinical setting.

The aim of the first and second study was to investigate the functionality of a FRC–BG implant in the reconstruction of cranial bone defects. During the years 2007–2014, a prospective clinical trial was conducted in two tertiary level academic institutions (Turku University Hospital and Oulu University Hospital) to evaluate the treatment outcome in 35 patients that underwent a FRC–BG cranioplasty. The treatment outcome was good both in adult and pediatric patients. A number of conventional complications related to cranioplasty were observed.

In the third study, a retrospective outcome evaluation of 100 cranioplasty procedures performed in Turku University Hospital between years 2002–2012 was conducted. The experimental fourth study was conducted to test the load-bearing capacity and fracture behavior of FRC–BG implants under static loading. The interconnective bars in the implant structure markedly increased the load-bearing capacity of the implant. A loading test did not demonstrate any protrusions of glass fibers or fiber cut. The fracture type was buckling and delamination.

In this study, a postoperative complication requiring a reoperation or removal of the cranioplasty material was observed in one out of five cranioplasty patients. The treatment outcomes of cranioplasty performed with different synthetic materials did not show significant difference when compared with autograft. The FRC–BG implant was demonstrated to be safe and biocompatible biomaterial for large cranial bone defect reconstructions in adult and pediatric patients.

Kallon luupuutosten korjausleikkaukset kuitulujitteisella bioaktiivisella komposiitti-istutteella

Kallon luupuutos voi syntyä tulehduksen, kasvaimen, vamman tai aivoverenkiertohäiriön takia tehdyn leikkauksen myötä. Uusia luunkorvikemateriaaleja kallon luupuutosten korjaamiseen tarvitaan, jotta ne vastaisivat oman luun ominaisuuksia ja rakennetta. Lasikuiduilla vahvistettu, bioaktiivista lasia sisältävä yhdistelmämateriaali (FRC–BG, fiber-reinforced composite–bioactive glass) on prekliinisissä tutkimuksissa osoittautunut ominaisuuksiltaan otolliseksi luutumiselle.

Tämän tutkimuksen ensimmäisessä ja toisessa osatyössä selvitettiin FRC–BG-istutteen soveltuvuutta kallon luupuutoksen korjausmateriaaliksi. Turun yliopistollisessa keskussairaalassa ja Oulun yliopistollisessa sairaalassa toteutettiin kliininen etenevä seurantatutkimus, jossa arvioitiin vuosina 2007–2014 FRC–BG-istutteella tehtyjen kallon luupuutoksen korjausleikkausten hoitotuloksia yhteensä 35 aikuis- ja lapsipotilaalla. Sekä aikuisilla että lapsilla hoitotulokset olivat hyviä. Luupuutoksen korjausleikkaukseen liittyviä tavanomaisia lisätauteja esiintyi tälläkin materiaalilla.

Kolmannessa osatyössä selvitettiin taannehtivassa tutkimusasetelmassa vuosina 2002–2012 Turun yliopistollisessa keskussairaalassa tehdyn sadan kallon luupuutoksen korjausleikkauksen hoitotuloksia. Neljännessä kokeellisessa osatyössä testattiin FRC–BG-istutteen kuormituksen kantokykyä ja murtumista staattisen kuormituksen alla. Pitkittäiset lasikuitulujitteiset vahvikkeet lisäsivät merkittävästi istutteen kuormituksen kantokykyä. Kuormituksen lisääntyessä istute lommahtaa ja laminaatit irtoavat toisistaan, mutta lasikuitujen katkeamista ei havaittu.

Tutkimuksessa havaittiin, että joka viidennen kallon luupuutoksen korjausleikkauksen jälkeen ilmenee lisätauti, joka johtaa uusintaleikkaukseen tai korjausmateriaalin poistamiseen. Kallon luupuutosten korjausleikkausten hoitotulokset synteettisillä materiaaleilla ja omalla luusiirteellä eivät eronneet toisistaan. FRC–BG-istute osoittautui turvalliseksi ja kudosyhteensopivaksi biomateriaaliksi aikuis- ja lapsipotilaiden kallon luupuutosten korjausleikkauksissa.