3D-printed biomimetic bone
Authors:   , Konka Joanna Magdalena 
Published: December 2024

(English) Over 2 million bone grafting procedures are performed each year. In the last years, synthetic calcium phosphates have drawn the attention of the researchers for their close similarity to the mineral phase of bone by offering exceptional bioactivity, osteoconductivity, and biocompatibility. Especially promising showed to be biomimetic calcium deficient hydroxyapatite (CDHA), which can be obtained through hydrolysis of a-tricalcium phosphate (a-TCP) at physiological temperature in a self-setting reaction. This has been exploited in calcium phosphate cements. Furthermore, this material can be fabricated by robocasting which offers great opportunities for patient-specific bone graft production by allowing control of external geometry and internal macroporosity of such obtained CDHA scaffolds. The present thesis is divided into two parts: (i) investigation of CDHA physicochemical changes after incubation in culture medium over long time periods, (ii) design and fabrication of 3D robocasted CDHA bone grafts to enhance their biological properties by two strategies, (a) the incorporation of ions and (b) the introduction of concave porosity in the printed filaments. Chapter 1 presents an overview of bone composition and biology, bone grafting strategies with their advantages and disadvantages, as well as puts forward strategies to enhance their biological performance. Chapter 2 investigates the physicochemical changes that undergoes CDHA after incubation in culture medium over extended time periods depending on the morphology of crystals (needle-like versus plate-like) and specific surface area (SSA). The study focuses on the structural changes such as crystallinity evolution, as well as the chemical ones in terms of local gradient of carbonation (confocal Raman microscopy mapping) and global ionic incorporation. Last but not least, differences in protein adsorption content and protein patterns (LC- MS/MS proteomics analysis) are put forward depending on the sample type. Overall, higher carbonation, ionic incorporation and protein adsorption capability and selectivity was observed for fine specimens of needle-like crystal morphology than coarse specimens of plate-like one. Chapter 3 and Chapter 4 explore two independent strategies to enhance biological properties of 3D printed CDHA. Chapter 3 explores incorporation of different ions (Sr, Mg, and Si) by soaking 3D CDHA in ionic solutions during the biomimetic setting at physiological temperatures. This easy strategy of chemical modification of scaffolds is evaluated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), inductively coupled plasma (ICP-OES), and fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). Furthermore, an ionic release study was performed and evaluated by ICP-OES. A comparison between scaffolds, before and after the release, was carried out by FTIR to obtain information about crystallinity and the evolution of the hydrated layer. Chapter 4 proposes the use of gelatin microspheres to introduce concave macropores into the robocasted filaments of 3D CDHA scaffolds. Neither the phase transformation responsible for the hardening of the scaffold nor the formation of characteristic network of needle-like hydroxyapatite crystals was affected by the addition of gelatin microspheres. The partial dissolution of the gelatin resulted in the creation of spherical pores throughout the filaments and exposed on the surface, increasing filament porosity from 0.2% to 67.9%. Moreover, the presence of retained gelatin proved to have a very significant effect on the mechanical properties, reducing the strength but simultaneously giving the scaffolds an elastic behavior, despite the high content of ceramic as a continuous phase. Notwithstanding the inherent difficulty of in vitro cultures with this highly reactive material, the presence of retained gelatin in the scaffolds was shown to favor the proliferation of MG-63 cells, as well as the spreading of hMSCs.

(Español) Cada año se realizan más de 2 millones de procedimientos de injertos óseos. Resultados especialmente prometedores se han obtenido con la hidroxiapatita biomimética deficiente en calcio (CDHA), que se obtiene a partir de la hidrólisis del fosfato tricálcico a (a-TCP) a temperatura fisiológica en una reacción de autoendurecimiento. La presente tesis se divide en dos partes, dedicadas a: (i) la investigación de los cambios fisicoquímicos que experimenta la CDHA después de la incubación en medio de cultivo durante largos períodos de tiempo, (ii) el diseño y la fabricación de injertos óseos de 3D de CDHA mediante tecnologías de robocasting con propiedades biológicas mejoradas por medio de dos estrategias, (a) la incorporación de iones, y (b) la introducción de porosidad cóncava en los filamentos impresos. La parte experimental va precedida de una introducción, en el Capítulo 1, donde se presenta una descripción general de la composición y biología ósea, los diversos tipos de injertos óseos, así como estrategias para mejorar sus respuestas biológicas. En el Capítulo 2 se investigan los cambios fisicoquímicos que ocurren en la CDHA después de la incubación en un fluido fisiológico, medio de cultivo celular, durante períodos de tiempo prolongados, dependiendo de la morfología de los cristales (con morfología de placa o acicular) y la superficie específica (SSA). El estudio se centra en cambios estructurales como la evolución de la cristalinidad, cambios químicos como el gradiente local de carbonatación (mapeo por microscopía confocal Raman) e incorporación iónica. Por último, se estudian las diferencias en la cantidad y patrón de adsorción de proteínas (análisis proteómico LC-MS / MS) en función del tipo de muestra. En general, se observó una mayor carbonatación, incorporación iónica y capacidad y selectividad de adsorción de proteínas en las muestras "fine", con morfología de cristales aciculares que en las muestras "coarse", con cristales en forma de placa. En el Capítulo 3 y el Capítulo 4 se exploran dos estrategias independientes para mejorar las propiedades biológicas de la CDHA impresa por 3D. En el Capítulo 3 se investiga la incorporación de diferentes iones (Sr, Mg y Si) durante el fraguado biomimético de estructuras impresas de a-TCP a temperaturas fisiológicas en soluciones iónicas. Esta sencilla estrategia de modificación química de los andamios se evalúa mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (SEM), plasma acoplado inductivamente por emisión espectroscópica (ICP-OES) y espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (IR-TF). Además, se evaluó la concentración iónica durante el estudio de liberación mediante ICP-OES. Se realizó una comparación entre los andamios antes y después de la liberación mediante caracterización FTIR para obtener información sobre la cristalinidad mineral y la evolución de la capa hidratada. En el Capítulo 4 se propone el uso de microesferas de gelatina para introducir macroporos cóncavos en los filamentos impresos de los andamios 3D de CDHA. Ni la transformación de fase responsable del endurecimiento de los andamios ni la formación de la red característica de cristales de hidroxiapatita en forma de aguja se vieron afectados por la adición de microesferas de gelatina. La disolución parcial de la gelatina dio como resultado la creación de poros esféricos tanto en el interior de los filamentos como expuestos en la superficie, aumentando la porosidad del filamento del 0,2% al 67,9%. Además, la presencia de gelatina retenida afectó las propiedades mecánicas, reduciendo la resistencia mecánica, pero al mismo tiempo dando a los andamios un comportamiento elástico, a pesar del alto contenido de cerámica como fase continua. A pesar de la dificultad inherente de los cultivos in vitro con este material altamente reactivo, se demostró que la presencia de gelatina retenida en los andamios favorece la proliferación de células MG-63, así como la extensión de células hMSCs.