Orthotopic bone regeneration within 3D printed bioceramic scaffolds with region-dependent porosity gradients in an equine model

Abstract

The clinical translation of three-dimensionally printed bioceramic scaffolds with tailored architectures holds great promise toward the regeneration of bone to heal critical-size defects. Herein, the long-term in vivo performance of printed hydrogel-ceramic composites made of methacrylatedoligocaprolactone-poloxamer and low-temperature self-setting calciumphosphates is assessed in a large animal model. Scaffolds printed with different internal architectures, displaying either a designed porosity gradient or a constant pore distribution, are implanted in equine tuber coxae critical size defects. Bone ingrowth is challenged and facilitated only from one direction via encasing the bioceramic in a polycaprolactone shell. After 7 months, total new bone volume and scaffold degradation are significantly greater in structures with constant porosity. Interestingly, gradient scaffolds show lower extent of remodeling and regeneration even in areas having the same porosity as the constant scaffolds. Low regeneration in distal regions from the interface with native bone impairs ossification in proximal regions of the construct, suggesting that anisotropic architectures modulate the cross-talk between distant cells within critical-size defects. The study provides key information on how engineered architectural patterns impact osteoregeneration in vivo, and also indicates the equine tuber coxae as promising orthotopic model for studying materials stimulating bone formation.

La traducción clínica de andamios biocerámicos impresos tridimensionalmente con arquitecturas adaptadas es muy prometedora para la regeneración de hueso para curar defectos de tamaño crítico. En este caso, el rendimiento in vivo a largo plazo de los compuestos impresos de cerámica de hidrogel hechos de metacrilato-oligocaprolactona-poloxámero y fosfatos de calcio de baja temperatura que se fijan por sí mismos se evalúa en un modelo de animal grande. Se implantan andamios impresos con diferentes arquitecturas internas, que muestran un gradiente de porosidad diseñado o una distribución de poros constante, en los defectos de tamaño crítico del tubérculo coxae equino. El crecimiento óseo se desafía y se facilita sólo desde una dirección mediante el encapsulamiento de la biocerámica en una cáscara de policaprolactona. Después de 7 meses, el volumen total de hueso nuevo y la degradación del andamiaje son significativamente mayores en estructuras con porosidad constante. Curiosamente, los andamios con pendiente muestran un menor grado de remodelación y regeneración incluso en zonas que tienen la misma porosidad que los andamios constantes. La baja regeneración en las regiones distales de la interfaz con el hueso nativo perjudica la osificación en las regiones proximales de la construcción, lo que sugiere que las arquitecturas anisotrópicas modulan la diafonía entre las células distantes dentro de los defectos de tamaño crítico. El estudio proporciona información clave sobre la forma en que las pautas arquitectónicas de ingeniería repercuten en la osteoregeneración in vivo, y también indica que el tubérculo equino coxae es un modelo ortotópico prometedor para estudiar los materiales que estimulan la formación ósea.