Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Abstract

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits.

The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first <i>in vitro</i> tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the <i>in vivo</i> animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first <i>in vitro</i> study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this <i>in vitro</i> polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second <i>in vitro</i> study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.

<b>Valokovetteiseen kuitukomposiittiin perustuvan implantin kehittäminen kallon ja kasvojen alueen luupuutosten korjaamiseen. Kokeellisia <i> in vitro</i>- ja <i>in vivo </i>–tutkimuksia</b>

Kallon ja kasvojen alueen luupuutosten korjaus on perustunut tähän mennessä pääasiassa luusiirteiden sekä metallisten fiksaatiolevyjen ja ruuvien käyttöön. Erityisesti syöpäkasvainten, synnynnäisten epämuodostumien tai tapaturmien aiheuttamien alaisten luupuutosten korjaamisessa kallon ja/tai kasvojen alueella tarvitaan luotettavia biomateriaaleja, koska luusiirteillä tai metalleihin perustuvilla menetelmillä ei pystytä vauriokohtaa parhaalla mahdollisella tavalla korjaamaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kuituvahvisteisen komposiittimateriaalin (FRC) käyttökelpoisuutta biostabiilina, metalleja korvaavana vaihtoehtoisena materiaalina luupuutosten korjaamisessa käyttäen mallina kanin otsan ja kallon luihin tehtyjä defektejä.

Väitöskirjan kokeellisessa osassa kuvataan implantin tuotekehityksen vaiheita alkaen ensimmäisistä <i>in vitro</i> -testeistä resiini-impregnoiduilla kuitukomposiiteilla, ja päätyen in vivo -eläinkokeisiin, joissa kuituvahvisteista komposittia testattiin implanttimateriaalina erikokoisten luupuutosten korjauksessa kanin otsan ja kallon alueella. Ensimmäisessä in <i>vitro-</i>tutkimuksessa FRC-materiaali valokovetettiin laboratorioolosuhteissa luu- ja verikontaktissa, ja kovetetut näytekappaleet inkuboitiin vedessä, jonka jäännösmonomeeripitoisuudet analysoitiin nestekromatografia (HPLC)- menetelmällä. Tutkimuksen mukaan luu- ja verikontaktissa polymerointi ei lisännyt merkittävästi jäännösmonomeerien vapautumista FRC-materiaalista. Toisessa <i>in vitro </i> tutkimuksessa testattiin erilaisia adheesiomenetelmiä implantin luuhun kiinnittämisessä.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli löytää vaihtoehtoja implantin kiinnittämiselle luuhun ilman ruuveja ja nastoja. Tutkimuksessa havaittiin, että kuitukomposiitin riittävä kiinnitys kallon luun pintaan adhesiiveja käyttäen vaati luun pinnan mekaanista ja kemiallista esikäsittelyä. Kolmessa kanin otsaluu- tai kriittisen koon kallodefektimalliin perustuvassa eläinkokeessa arvioitiin kuitukomposiittiimplantin aiheuttamia biologisia reaktioita. Näiden tutkimusten perusteella voitiin havaita, että sidekudokset kasvavat E-lasikuituun (E=electrical, sähkölasikuitu) perustuvan kuituhuopamateriaalin sisään. Myös uudisluun muodostuminen ja sen mineralisaatio on mahdollista huovan sisällä. Bioaktiiviset lasirakeet edesauttoivat luunmuodostusta kuitukomposiitin yhteydessä käytettynä. Täydellistä luudefektien paranemista ei eläinkokeissa saavutettu, vaan defektit paranivat vain osittain. Biologinen vaste resiini-impregnoidulle komposiitti-implantille maksimissaan 12 viikon implantoinnin jälkeen oli riippuvainen myös muovimatriisin polymerisaatioajasta. Molemmat kokeissa käytetyt resiiniseokset jälkilämpöpolymeroitiin valokovetuksen lisäksi.