Mikro CT-, Histomorphometrische- und Immunhistologische Analyse 3D gedruckter PLLA/CaCO3- Scaffolds mit Zusatz von CaPO4 im Göttinger Minipig zur Entwicklung eines patientenspezifischen, resorbierbaren Knochenersatzmaterials

Micro-CT, Histomorphometric and Immunohistological Analysis of 3D-Printed PLLA/CaCO3 Scaffolds Supplemented with CaPO4 in the Göttinger Minipig for the Development of a Patient-Specific, Resorbable Bone Substitute Material

by Tim Gellhaus
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-07-07
Date of issue:2025-06-12
Advisor:Prof. Dr. Dr. Philipp Kauffmann
Referee:Prof. Dr. Dr. Philipp Kauffmann
Referee:Prof. Dr. Christian Dullin
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11316

 

 

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Abstract

English

Introduction: One of the central challenges in oral and maxillofacial surgery is the reconstructive restoration of tissue defects following extensive tumor resections in the head and neck region. Microvascular free tissue transfer continues to play a central role in this field. While autologous bone grafting is currently regarded as the gold standard, it necessitates a secondary surgical site, thereby introducing additional morbidity and associated risks. Consequently, the development and implementation of effective bone substitute materials are of paramount importance to obviate the need for autologous grafts. This study aimed to evaluate the extent of de novo bone formation facilitated by calcium carbonate (CaCO₃) -based composite scaffolds and to investigate the influence of scaffold architecture on osteogenesis. Materials and Methods: Ten Göttinger minipigs were randomly assigned to two groups corresponding to evaluation time points (4 and 12 weeks). Four distinct poly-L-lactide (PLLA)/CaCO₃ composite scaffolds with varying bar dimensions, partially supplemented with calcium phosphate (CaPO4), were implanted into 5×7 mm cylindrical defects created by a trephine drill. Outcome measures included computed tomography (CT)-based volumetric bone analysis in mm³ and histomorphometric assessment in mm², focusing on three predefined regions and the bone–scaffold interface. Immunohistochemical detection of osteocalcin was used to evaluate the degree of mineralization and infer the rate of bone regeneration. Results: Histomorphometric analysis using Smith Karagianes and Van Gieson staining did not yield statistically significant differences among groups. However, significant differences in bone formation were identified in scaffold group PK4 through CT imaging and osteocalcin expression. Scaffold-bone contact area analysis showed no significant differences across groups. Overall, scaffolds with higher porosity (PK2 and PK4) demonstrated slightly enhanced bone formation. The presence of a CaPO4 coating did not result in a statistically significant improvement in osteogenesis, although it improved mechanical stability and handling characteristics. After 12 weeks, the pore volumes of most scaffolds were nearly completely infiltrated by newly formed bone, confirming their suitability as osteoconductive matrices. A trend in scaffold performance was observed, ordered as follows: PK1 < PK3 < PK2 < PK4. Conclusions: The calcium phosphate surface modification did not significantly enhance bone regeneration but facilitated improved intraoperative handling, particularly in scaffolds with smaller pore sizes. At both 4 and 12 weeks, new bone formation was predominantly aligned along the scaffold architecture, underscoring their role as effective osteoconductive guides. By 12 weeks, scaffold porosity showed a strong correlation with bone ingrowth, with higher porosity promoting faster and more extensive bone formation, highlighting scaffold architecture as a critical determinant in regenerative outcomes.
Keywords: bone engineering; histology; bone scaffold; Osteocalcin; CT analysis; Gottingen Minipig; bone regeneration

German

Einleitung: Eine der zentralen Herausforderungen in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ist die rekonstruktive Versorgung von Gewebedefekten nach umfangreichen Tumorresektionen im Kopf-Hals-Bereich. Der mikrovaskuläre freie Gewebetransfer spielt in diesem Bereich nach wie vor eine zentrale Rolle. Obwohl die autologe Knochentransplantation derzeit als Goldstandard gilt, erfordert sie ein zweites Operationsgebiet und birgt damit zusätzliche Morbidität und damit verbundene Risiken. Daher sind die Entwicklung und Implementierung effektiver Knochenersatzmaterialien von größter Bedeutung, um den Bedarf an autologen Transplantaten zu vermeiden. Ziel dieser Studie war es, das Ausmaß der De-novo-Knochenbildung durch Calciumcarbonat (CaCO₃)- basierte Komposit-Scaffolds zu bewerten und den Einfluss der Scaffold-Architektur auf die Osteogenese zu untersuchen. Materialien und Methoden: Zehn Göttinger Minischweine wurden randomisiert zwei Gruppen entsprechend den Evaluationszeitpunkten (4 und 12 Woche) zugeteilt. Vier verschiedene Poly-Lactid (PLLA)/CaCO₃-Kompositgerüste mit unterschiedlichen Stegabmessungen, teilweise ergänzt mit Calciumphosphat (CaPO₄), wurden in 5×7 mm große, zylindrische Defekte implantiert, die mit einem Trepanbohrer erzeugt wurden. Die Ergebnismessungen umfassten eine computertomografische (CT) volumetrische Knochenanalyse in mm³ und eine histomorphometrische Untersuchung in mm², wobei drei vordefinierte Regionen und die Knochen-Gerüst-Grenzfläche im Mittelpunkt standen. Der immunhistochemische Nachweis von Osteocalcin diente der Bewertung des Mineralisationsgrads und der Ableitung der Knochenregenerationsrate. Ergebnisse: Die histomorphometrische Analyse mittels Smith Karagianes und Van-Gieson Färbung ergab keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen. In der Scaffold-Gruppe PK4 wurden jedoch signifikante Unterschiede in der Knochenbildung mittels CT-Bildgebung und Osteocalcin-Expression festgestellt. Die Analyse der Scaffold-Knochen-Kontaktfläche zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen. Insgesamt zeigten Scaffolds mit höherer Porosität (PK2 und PK4) eine leicht verbesserte Knochenbildung. Die CaPO4-Beschichtung führte nicht zu einer statistisch signifikanten Verbesserung der Osteogenese, verbesserte jedoch die mechanische Stabilität und die Handhabungseigenschaften. Nach 12 Wochen waren die Porenvolumina der meisten Scaffolds nahezu vollständig mit neu gebildetem Knochen ausgewachsen, was ihre Eignung als osteokonduktives Material bestätigte. Dabei zeigte sich ein Trend in der Scaffold-Zusammensetzung, der wie folgt geordnet war: PK1 < PK3 < PK2 < PK4. Schlussfolgerungen: Die Calciumphosphat-Oberflächenmodifizierung verbesserte die Knochenregeneration nicht signifikant, ermöglichte aber eine verbesserte intraoperative Handhabung, insbesondere bei Scaffolds mit kleineren Porengrößen. Sowohl nach vier als auch nach zwölf Wochen orientierte sich die Knochenneubildung vorwiegend an der Gerüststruktur, was deren Rolle als effektive osteokonduktive Führung unterstreicht. Nach zwölf Wochen zeigte sich eine starke Korrelation zwischen der Gerüstporosität und dem Knocheneinwuchs. Eine höhere Porosität förderte eine schnellere und umfassendere Knochenbildung, was die Gerüststruktur als entscheidenden Faktor für den regenerativen Erfolg darstellt.
Schlagwörter: Knochenersatzmaterial; Histomorphometrie; Histologie; Osteocalcin; CT-Analyse; Immunhistologie; Göttinger Minipig; Knochenregeneration