Bioresorbable Polymer–Bioactive Glass Composite Scaffolds for Bone Regeneration

Abstract

Bone defects, caused by disease or trauma, pose a significant challenge in medical care. Bone tissue transplants are commonly used for their treatment, and bone is the second most transplanted tissue in the world. Because of inherent issues relating to the transplants, synthetic materials are investigated for use as bone graft substitutes. In the research covered in this thesis, we studied synthetic three-dimensional scaffolds for bone regeneration. The aim of these scaffolds is to fill bone defects, allow cells from nearby tissues to enter their pores, and promote new tissue formation as they degrade. Ideally, as the scaffold is completely degraded, the defect site will be filled with newly formed bone. Using different methods, we manufactured porous scaffolds with either a polymer matrix or a bioactive glass matrix and studied their degradation in vitro in aqueous degradation media. We also tested two of the scaffolds for their ability to support bone formation in an in vivo model. In the first two articles, we manufactured poly(lactide-co-glycolide) (PLGA)-based scaffolds with the gas foaming and freeze drying techniques, with or without incorporation of bioactive glass or magnesium hydroxide, and evaluated their degradation in vitro. Several scaffolds underwent unwanted shrinkage, and their pore structure was not satisfactory. However, the innovative approach of integrating bioactive glass fibres into freeze-dried structures resulted in dimensionally stable scaffolds featuring wellinterconnected porosity. We also studied the magnesium ion release from gasfoamed scaffolds. As the role of magnesium in bone regeneration may vary in time during the healing process, it may be beneficial to regulate the magnesium release temporally, with a higher initial release followed by rapidly decreasing release concentrations. Scaffolds with magnesium-containing bioactive glasses released low concentrations of magnesium, whereas scaffolds with magnesium hydroxide provided a significantly higher and more immediate release, which may be particularly beneficial for the bone healing process. In the third article, two scaffolds, one gas-foamed PLGA scaffold and one freeze-dried PLGA scaffold with bioactive glass fibres, were tested in a bone regeneration model in vivo and compared with commercial bone graft substitutes. Whereas bone healed well with the commercial materials, the tissue regeneration with the experimental scaffolds was not equally good. The unsatisfactory performance of the experimental scaffolds was likely due to their pore size and pore interconnectivity. Pore interconnectivity of the gasfoamed PLGA scaffolds was presumably too low to allow for efficient bone ingrowth, and the pore size of the freeze-dried PLGA–bioactive glass scaffolds was probably too small to allow for dense vascularisation within the scaffold structure, thus inhibiting extensive bone ingrowth. In the last study, we manufactured porous bioactive glass scaffolds with different polylactide (PLA) coating stereochemistries. The aim was to find out similarities and differences in the mechanical and degradation properties of amorphous, homocrystalline, and stereocomplex crystalline PLA. Although the coatings were only 3 wt.% of the glass scaffold mass, scaffolds coated with PLA had an approximately four-fold higher compressive toughness before immersion and a two-fold higher toughness after immersion in simulated body fluid. Both homocrystalline and stereocomplex crystalline PLA had significantly higher toughness than the amorphous coatings. The coatings also moderated the initial pH peak caused by the bioactive glass, which may be beneficial in an in vivo setting. Overall, the results in this thesis provide insights into the feasibility of scaffold materials and structures for bone regeneration and the biological requirements for bone growth within the scaffolds. An optimised pore structure should be sought with methods that have a high repeatability and require minimal manual work, such as additive manufacturing techniques. By making informed choices of bioresorbable polymers, for example through variations in the polymer stereochemistry, or by optimisation of the release pattern of biologically active substances, it could be possible to produce scaffolds tailored to exhibit specific properties essential for effective bone regeneration.

Benskador som orsakats av sjukdomar eller olyckor är vanligt förekommande och utgör en betydande utmaning inom medicinsk behandling. Transplantat av benvävnad används ofta i behandlingen, och benvävnad är den näst mest transplanterade vävnaden i världen. På grund av problem och begränsningar med transplantaten undersöks syntetiska material som substitut för dem. I den här avhandlingen undersökte vi syntetiska tredimensionella stödstrukturer, så kallade scaffolds, för återbildning av benvävnad. Syftet med stödstrukturerna är att fylla bendefekterna, låta celler från omkringliggande vävnader tränga in i deras porer, och understöda återbildningen av vävnad när de nedbryts. Idealt fylls defekterna slutligen helt och hållet med nybildad vävnad. Vi använde olika metoder för att framställa stödstrukturer, som bestod av en kontinuerlig struktur av endera bionedbrytbar polymer eller bioaktivt glas, och undersökte deras nedbrytning in vitro i vattenlösningar som simulerar kroppsförhållanden. Vi testade även två typer av stödstrukturer för att utvärdera deras förmåga till benåterbildning i en in vivo-modell. I de två första artiklarna framställde vi stödstrukturer av poly(laktid-samglykolid) (PLGA) med gasskumning och frystorkning, endera med eller utan tillsats av bioaktivt glas eller magnesiumhydroxid. I nedbrytningstesterna krympte flera av de framställda stödstrukturerna, med en olämplig porstruktur som följd. Genom att integrera fibrer av bioaktivt glas i frystorkade stödstrukturer lyckades vi åstadkomma en öppen porstruktur och god dimensionsstabilitet. Vi undersökte även magnesiumfrisättningen från gasskummade stödstrukturer. Eftersom funktionen av magnesium i benåterbildningen varierar i olika stadier av återbildningsprocessen, kan det vara fördelaktigt att reglera frisättningen tidsmässigt, med en hög frisättning i början och med snabbt avtagande nivåer därefter. Stödstrukturer med magnesiuminnehållande bioaktivt glas frisatte magnesium i låga och relativt stadiga koncentrationer, medan stödstrukturer med tillsatt magnesiumhydroxid uppvisade en mycket högre men snabbare avtagande frisättning, vilket kan vara fördelaktigt för benåterbildningen. I den tredje artikeln undersöktes benåterbildningsförmågan in vivo för stödstrukturer framställda av gasskummat PLGA och frystorkat PLGA med fibrer av bioaktivt glas. Dessa experimentella stödstrukturer jämfördes med två kommersiella bensubstitut. Benvävnaden återbildades väl med de kommersiella materialen, medan vävnadstillväxten inte var lika bra för de experimentella implantaten. De otillfredsställande resultaten för de experimentella stödstrukturerna berodde troligtvis på porstrukturen och porstorleken, vilka inte var optimala för benåterbildningen. Porstrukturen hos gasskummade stödstrukturer var troligtvis för instängd, med för få öppna porer, och porstorleken hos de frystorkade stödstrukturerna var troligtvis för liten för att möjliggöra en tillräcklig blodkärlsåterbildning. I den sista studien framställde vi porösa stödstrukturer av bioaktivt glas med beläggningar av polylaktid (PLA) med olika stereokemier. Syftet var att karakterisera mekaniska egenskaper och nedbrytningsegenskaper hos amorf, homokristallin och stereokomplext kristallin PLA. Fastän beläggningarna utgjorde enbart 3 vikt-% av glasstrukturens massa, hade stödstrukturerna med polymerbeläggning ungefär fyra gånger högre kompressionsseghet före immersion och två gånger högre seghet efter immersion i simulerad kroppsvätska. De båda delkristallina beläggningarna uppvisade högre seghet än de amorfa beläggningarna. Beläggningarna även begränsade den initiala pHökningen som förorsakas av det bioaktiva glaset, vilket kan vara fördelaktigt in vivo. Generellt ger resultaten i den här avhandlingen insikter om möjligheterna för material och strukturer att återbilda benvävnad, samt om de biologiska betingelserna som möjliggör benåterbildning inne i stödstrukturerna. En optimerad porstruktur bör eftersträvas med metoder som har hög upprepbarhet och kräver minimalt av manuellt arbete, till exempel genom användning av additiv tillverkning. Genom välgrundade val av biologiskt nedbrytbara polymerer, såsom genom variationer i polymerens stereokemi eller genom optimering av frisättningsmönstret för biologiskt aktiva ämnen, kan det vara möjligt att framställa stödstrukturer som är anpassade för att uppvisa specifika egenskaper som är väsentliga för effektiv benåterbildning.