Biological properties of solid free form designed ceramic scaffolds with BMP-2: “In vitro” and “in vivo” evaluation

Abstract

Los andamios cerámicos porosos se estudian ampliamente en el campo de la ingeniería de tejidos debido a su potencial en aplicaciones médicas como sustitutos óseos o como materiales de relleno óseo. Los métodos de fabricación de forma libre sólida (SFF) permiten la fabricación de armazones cerámicos con una arquitectura de poros totalmente controlada, lo que abre nuevas perspectivas en los materiales de regeneración de tejido óseo. Sin embargo, se ha realizado poca experimentación sobre las propiedades biológicas reales y las posibles aplicaciones de los andamios cerámicos 3D diseñados por SFF. Por lo tanto, aquí se evalúan primero las propiedades biológicas de un andamio SFF específico, tanto in vitro como in vivo, y posteriormente se implantan también andamios en defecto maxilar de cerdo, lo que supone un modelo para una posible aplicación en cirugía maxilofacial. Los resultados in vitro muestran una buena biocompatibilidad de los andamios, promoviendo el crecimiento celular hacia el interior. Los resultados in vivo indican que el material por sí solo conduce el tejido circundante y permite el crecimiento celular, gracias al tamaño de poro diseñado. Se obtuvieron propiedades osteoinductivas adicionales con BMP-2, que se cargó en andamios, y se observó una formación ósea óptima en el modelo de implantación porcino. En conjunto, los datos muestran que los andamios SFF tienen posibilidades reales de aplicación para fines de ingeniería de tejidos óseos, con la principal ventaja de ser estructuras 3D totalmente personalizables.

Porous ceramic scaffolds are widely studied in the tissue engineering field due to their potential in medical applications as bone substitutes or as bone-filling materials. Solid free form (SFF) fabrication methods allow fabrication of ceramic scaffolds with fully controlled pore architecture, which opens new perspectives in bone tissue regeneration materials. However, little experimentation has been performed about real biological properties and possible applications of SFF designed 3D ceramic scaffolds. Thus, here the biological properties of a specific SFF scaffold are evaluated first, both in vitro and in vivo, and later scaffolds are also implanted in pig maxillary defect, which is a model for a possible application in maxillofacial surgery. In vitro results show good biocompatibility of the scaffolds, promoting cell ingrowth. In vivo results indicate that material on its own conducts surrounding tissue and allow cell ingrowth, thanks to the designed pore size. Additional osteoinductive properties were obtained with BMP-2, which was loaded on scaffolds, and optimal bone formation was observed in pig implantation model. Collectively, data show that SFF scaffolds have real application possibilities for bone tissue engineering purposes, with the main advantage of being fully customizable 3D structures.