Üç boyutlu biyoyazıcı ile üretilen hiperelastik kemiğin heterotopik kemik oluşumuna etkisi
Heterotopic bone formation effect of hyperelastic bone produced via three dimensional bioprinter
Yazar: SEMİH TİBER MENTEŞE
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM ÇOLAK
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / Prof. Dr. Cemil Taşcıoğlu Şehir Hastanesi / Plastik Rekonstrüktif ve Estetik Cerrahi Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2022
Konu: Plastik ve Rekonstrüktif Cerrahi = Plastic and Reconstructive Surgery
Dizin: Cerrahi flepler = Surgical flaps ; Kemik nakli = Bone transplantation ; Kemik ve kemikler = Bone and bones ; Üç boyutlu biyoyazıcılar = Three-dimensional bioprinter ; Üç boyutlu yazıcı = Three dimensional printer

Özet:
Amaç: En iyi şartları sağlayabilen, kemik yerine geçebilecek ideal biyomateryal arayışı günümüzde de devam etmektedir. Ideal biyomateryalin, kemik grefti alınırken oluşan donör alan morbiditesi, ikinci operasyon ve zaman kaybı gibi dezavantajları ortadan kaldırılacağı düşünülmektedir. Günümüzde üç boyutlu yazıcı teknolojisinin de gelişmesiyle osteoblastların yerleşebileceği ideal porlu polimer biyokompozitler sentezlemek mümkündür. Diğer polimer kompozitlerin basım ve kullanım dezavantajlarını da ortadan kaldıran ve yeni keşfedilen hiperelastik kemik, kemik defektiyle iyileşen ve periostu hasarlı çok parçalı kırıklar; dejenerasyonu sonrası implantla onarılsa bile fonksiyonel olarak iyi sonuç vermeyen ve kemik teması, stres faktörü olmayan bir bölgede kemik doku rekonstrüksiyonu gerektiren temporomandibular bölge sorunları ya da benzer şartlarda olan ve rekonstrüksiyonu için greft ihtiyacı bulunabilen nasal kemiklerin kaybı gibi sorunları, başka bir bölgede periosttaki kök hücrelerden de faydalanarak prefabrike edilebilir ve doku ihtiyacını ortadan kaldırabileceği düşünülmektedir.
Gereç ve Yöntem: Sprague-dawley tipi 40 adet sıçanın kullanıldığı çalışmada dört ayrı grup oluşturulmuş, her grupta safenöz arter bazlı periostofasyokütan flep kaldırlarak batına adapte edilmiş ve ilk grup kontrol grubu olmak üzere, fleplerin altına 2. Grupta karşı ekstremiteden alınan fibula grefti, 3.grupta üç boyutlu yazıcıyla üretilen "Fluffy" polilaktid-co-glikolik-asid (F-PLGA) ve 4. Grupta yine üç boyutlu yazıcıda üretilen Hiperelastik kemik (HK) konularak, 12. Hafta sonunda tomografi ile kontrol sonrası, denekler sakrifiye edilmiş ve örnekler histopatolojik inceleme ve tarayıcı elektron mikroskobisi incelemesine gönderilmiştir.
Bulgular: Tomografi verileri incelendiğinde alan olarak HK grubunun diğer gruplara anlamlı olarak üstün geldiği görüldü. Histopatolojik incelemeye bakıldığında HK grubunda biyoiskelet çevresinde hücrelerin ilerlemesi ve kemik doku alanları görülebildi. İstatiksel olarak osteogenez açısından Grup1, 3 ve 4 birbirine benzer sonuçlar gösterdi. F-PLGA grubunun anjiyogenez skorunun diğer gruplara üstün olduğu görüldü. Rejeksiyon karşılaştırıldığında ise HK grubunun diğer gruplara anlamlı olarak üstün geldiği izlendi. Elektron mikroskobisi ile incelemede, F-PLGA oluşumu doğrulandı. F-PLGA ve HK grubunun düzenli por patterni ile basılabildiği görüldü. HK grubu fibrillerinin hücrelerle tamamen çevrildiği ve dokuya iyi entegre olduğu görüldü. 

Sonuç: Kritik boyutlu kalvaryal defektlerde etkinliği gösterilen, HK'nın bu çalışmayla ilk kez kemik teması ve stres faktörü olmayan bir bölgede periosttaki kök hücreleri ek bir faktör olmadan uyarabileceği ve kemik gelişimini tetikleyebileceği gösterilmiştir. HK'nın prefabrikasyona uygun olduğu yönünde bizi düşündüren bu çalışma, diğer detaylı deneyler ve büyük hayvan çalışmaları için bir ilk adım niteliğindedir. Bu polimer biyokompozitin, bahsedilen zor koşullarda bile kemik oluşumunu tetikleyerek, gelecekte kemik doku rekonstrüksiyonunda, kemik grefti ihtiyacını ortadan kaldırabileceği düşünülmektedir.

Anahtar Sözcükler: Hiperelastik Kemik, periostofasyokutan flep, üç boyutlu biyoyazıcı

Abstract:
Aim: Ideal bone substitute biomaterial research goes on even today. This ideal biomaterial can let us get rid of the disadvantages of harvesting a bone graft such as second operation and time loss and donor morbidity. Three dimensional printing developments in today's world, provides us the ability to produce an ideal porous structred polymer biocomposites. Hyperelastic bone is such biomaterial which eliminates all the production and use disadvantages of other polymer biocomposites. Comminuted fractures with periosteal damage, temporomandibular joint reconstruction and nasal bone reconstruction are different areas which are free of stress factor and bone contact and reconstruction in these areas could be possible with this polymer biocomposite which is can be prefabricated in a different zone by using the stem cells migrating from periosteum.
Materials and Methods: Four different groups of total 40 sprague-dawley rats are created. In every group periostofasciocutaneous flap is elevated and in the first group flap is just adapted to pelvic area as it is. In second group fibula harvested from cross leg is embedded under the periosteum and the flap is adapted after. In third group Fluffy-polilactid-co-glycolic-acid, (F-PLGA) bioscaffold is put under periosteum and in the last group hyperelastic bone (HB) scaffold is put under the periosteum and the flap is adapted. 12 weeks later, after the tomography scan, the rats are sacrificed and the samples are sent for histopathological and electron microscopical evalution.

Results: Tomography scan evalution of the area of bone formation, revealed that HB group is statistically significant compared to all other groups. Light microscopy evalution show that in HK group bioscaffold is surrounded with the cells and in between fibrils newly formed osteogenesis areas can be seen. Statistically group 1, 3 and 4 had similar results. Rejection parameter multinucleated giant cell density was statistically higher in HB group. Scanning electron microscopy results show us that F-PLGA production was succesful, HB and F-PLGA printing with standard pore pattern was achieved. HB group adaption to tissue and the cells around the fibrils are seen also with SEM.

Conclusion: HB is already proved to be effective in critical size calvarial defects. With this research of ours, we demonstrated that even in an area without a direct bone contact and stress factor, with the help of stem cells provided by neigbouring periosteal tissue, HB can trigger bone formation without any additional factor. As a result, HB is thought to be suitable for prefabrication. Although higher size animal study is needed, this work of ours can be found as the first research about this subject.  Even under forementioned tough conditions, this polymer biocomposite provides us bone growth and this is thought to eliminate the bone graft need in bone reconstruction in the future. 

Key words: Hyperelastic bone, periostofasciocutaneous flap, three-dimensional bioprinter.