We tested the bone regenerating capacity and histologic response of bioresorbable matrix-type implant, which was made with Poly(lactide-co-glycolide)(PLGA) and bone apatite for the carrier of bone morphogenetic protein(BMP). The critical size defect of 8mm in diameter was created at the calvaria of SD rats(n=18), and repaired with polymer implant with $15{\mu}g$ of rhBMP-2(n=9) or without it(n=9). At 2 weeks, 1 months after implantation, the animals were sacrificed(3 animals at every interval and group) and histologically evaluated. The calvarial defect which was repaired with polymer with BMP healed with newly formed bone about 70% of total defect. But that without BMP showed only 0 to under 30% bony healing. Inflammatory response was absent in both group through the experimental period, but there's marked foreign body giant response though it was a little less significant in polymer with BMP group. As the polymer was resorbed, the space was infiltrated and replaced by fibrovascular tissue, not by bone. In conclusion, our formulation of bioresorbable matrix implant loaded with bone morphogenetic protein works good as a bone regenerating material. However, it is mandatory to devise our system to have better osteoinductive and osteoconductive property, and less multinucleated giant cell response.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.33
no.5
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pp.464-469
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2007
The bone graft materials are grossly divided into autogenous bone, allogenic bone, xenogenic bone, and alloplastic material. Among the various allogenic graft materials, hydroxyapatite($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$, HA), the main inorganic phase of human hard tissue, is widely used as a repair material for bones. When HA applied to bony defect, however, it may be encapsulated with fibrous tissue and floated in the implanted area by the lack of consolidation. Fluoridated hydroxyapatite($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$, FHA), where F- partially replaces the OH- in the hydroxyapatite, is considered as an alternative material for bone repair due to its solubility and biocompatibility. This study was designed to find out the bone healing capacity of FHA newly produced as a nanoscale fiber in the laboratory. We implanted HA and FHA in the rabbit cranium defect and histologically analysed the specimen. The results were as follows. 1. In the 4 weeks, fibrous connective tissue and little bone formation around materials of the experimental group I implanted HA were observed. In the experimental group II implanted FHA, newly formed bone around materials were observed. 2. In the 8 weeks, the amount of newly formed and matured bone of the experimental group II was more than the experimental group I and control group. From the results obtained, we suggest that FHA, newly synthesized, is relatively favorable bone substitute with bioconpatibility and has better bone healing capacity than pure HA.
This study was performed to evaluate the effect of bone graft materials including demineralized freeze-dried bone, freeze-dried bone, deproteinized bovine bone on space-making capacity and bone formation in guided bone regeneration with titanium reinforced ePTFE membrane(TR-ePTFE). Adult male rabbits(mean BW 2kg) were used in this study. Intramarrow penetration defects were surgically created with round bur on calvaria of rabbits. TR-ePTFE membrane was adapted to calvarial defect and bone graft materials were placed. Animals were sacrificed at 2, 8, 12 weeks after surgery. Non-decalcified specimens were processed for histologic analysis and prepared with Villaneuva bone stain. The results of this study were as follows: 1. TR-ePTFE membrane was biocompatible and capable of maintaining the space-making. 2. Tissue integration was not good at TR-ePTFE membrane. Fixation was not enough. so, wound stabilization was not good. 3. In animals using deproteinized bovine bone, demineralized freeze-dried bone, bone formation was little. 4. In animals using freeze-dried bone, bone formation was better. Within the above results, bone formation may be inhibited when wound stabilizafion was not good.
Runx2 is an essential transcription factor for skeletal development. It is expressed in multipotent mesenchymal cells, osteoblast-lineage cells, and chondrocytes. Runx2 plays a major role in chondrocyte maturation, and Runx3 is partly involved. Runx2 regulates chondrocyte proliferation by directly regulating Ihh expression. It also determines whether chondrocytes become those that form transient cartilage or permanent cartilage, and functions in the pathogenesis of osteoarthritis. Runx2 is essential for osteoblast differentiation and is required for the proliferation of osteoprogenitors. Ihh is required for Runx2 expression in osteoprogenitors, and hedgehog signaling and Runx2 induce the differentiation of osteoprogenitors to preosteoblasts in endochondral bone. Runx2 induces Sp7 expression, and Runx2, Sp7, and canonical Wnt signaling are required for the differentiation of preosteoblasts to immature osteoblasts. It also induces the proliferation of osteoprogenitors by directly regulating the expression of Fgfr2 and Fgfr3. Furthermore, Runx2 induces the proliferation of mesenchymal cells and their commitment into osteoblast-lineage cells through the induction of hedgehog (Gli1, Ptch1, Ihh), Fgf (Fgfr2, Fgfr3), Wnt (Tcf7, Wnt10b), and Pthlh (Pth1r) signaling pathway gene expression in calvaria, and more than a half-dosage of Runx2 is required for their expression. This is a major cause of cleidocranial dysplasia, which is caused by heterozygous mutation of RUNX2. Cbfb, which is a co-transcription factor that forms a heterodimer with Runx2, enhances DNA binding of Runx2 and stabilizes Runx2 protein by inhibiting its ubiquitination. Thus, Runx2/Cbfb regulates the proliferation and differentiation of chondrocytes and osteoblast-lineage cells by activating multiple signaling pathways and via their reciprocal regulation.
Lee, Mi Nam;Hwang, Hee-Su;Oh, Sin-Hye;Roshanzadeh, Amir;Kim, Jung-Woo;Song, Ju Han;Kim, Eung-Sam;Koh, Jeong-Tae
Experimental and Molecular Medicine
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v.50
no.11
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pp.2.1-2.16
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2018
Supplementation of mesenchymal stem cells (MSCs) at sites of bone resorption is required for bone homeostasis because of the non-proliferation and short lifespan properties of the osteoblasts. Calcium ions ($Ca^{2+}$) are released from the bone surfaces during osteoclast-mediated bone resorption. However, how elevated extracellular $Ca^{2+}$ concentrations would alter MSCs behavior in the proximal sites of bone resorption is largely unknown. In this study, we investigated the effect of extracellular $Ca^{2+}$ on MSCs phenotype depending on $Ca^{2+}$ concentrations. We found that the elevated extracellular $Ca^{2+}$ promoted cell proliferation and matrix mineralization of MSCs. In addition, MSCs induced the expression and secretion of osteopontin (OPN), which enhanced MSCs migration under the elevated extracellular $Ca^{2+}$ conditions. We developed in vitro osteoclast-mediated bone resorption conditions using mouse calvaria bone slices and demonstrated $Ca^{2+}$ is released from bone resorption surfaces. We also showed that the MSCs phenotype, including cell proliferation and migration, changed when the cells were treated with a bone resorption-conditioned medium. These findings suggest that the dynamic changes in $Ca^{2+}$ concentrations in the microenvironments of bone remodeling surfaces modulate MSCs phenotype and thereby contribute to bone regeneration.
Purpose: The purpose of this study was to assess the adhesiveness and cytotoxicity of 3, 4-dihydroxyphenylalanine (DOPA), and to evaluate the role of collagen membrane with DOPA in the guided bone regeneration. Materials and Methods: Peel resistance and cell cytotoxicity test were performed. Four defect types in nine rabbit calvaria were randomly allocated: i) control, ii) membrane, iii) deproteinized porcine bone mineral (DPBM) covered by membrane with DOPA, and iv) DPBM covered by membrane with cyanoacrylate. Animals were sacrificed at 2 (n=4) and 8 weeks (n=5) for microcomputed tomography and histomorphometric analysis. DOPA showed low peel resistance but high cell viability. Result: Cyanoacrylate and DOPA groups showed significantly higher mineralized tissue volume (MTV) compared to control and membrane groups at 2 weeks (P<0.05). At 8 weeks, DOPA group showed the highest MTV. Significantly higher new bone area was found in DOPA group at 8 weeks (P<0.05). Bone formation increased from 2 to 8 weeks in DOPA group (P<0.05). Conclusion: DOPA showed high cell viability and in vivo study revealed predictable performance in bone regeneration.
Purpose: Various crosslinking methods have been introduced to increase the longevity of collagen membranes. The aim of this study was to compare and evaluate the degradation and bone regeneration patterns of 3 collagen membranes. Methods: Four 8-mm-diameter circular bone defects were created in the calvaria of 10 rabbits. In each rabbit, each defect was randomly allocated to 1) the sham control group, 2) the non-crosslinked collagen sponge (NS) group, 3) the chemically crosslinked collagen membrane (CCM) group, or 4) the biphasic calcium phosphate (BCP)-supplemented ultraviolet (UV)-crosslinked collagen membrane (UVM) group. Each defect was covered with the allocated membrane without any graft material. Rabbits were sacrificed at either 2 or 8 weeks post-surgery, and radiographic and histologic analyses were done. Results: New bone formed underneath the membrane in defects in the CCM and UVM groups, with a distinctive new bone formation pattern, while new bone formed from the base of the defect in the NS and control groups. The CCM maintained its shape until 8 weeks, while the UVM and NS were fully degraded at 8 weeks; simultaneously, sustained inflammatory infiltration was found in the margin of the CCM, while it was absent in the UVM. In conclusion, the CCM showed longer longevity than the UVM, but was accompanied by higher levels of inflammation. Conclusions: Both the CCM and UVM showed distinctive patterns of enhancement in new bone formation in the early phase. UV crosslinking can be a biocompatible alternative to chemical crosslinking.
Purpose: The role of hard-type crosslinked hyaluronic acid (HA) with particulate bone substitutes in bone regeneration for combined inlay-onlay grafts has not been fully investigated. We aimed to evaluate the effect of hard-type crosslinked HA used with bone substitute in terms of new bone formation and space maintenance. Methods: A 15-mm-diameter round defect was formed in the calvaria of 30 New Zealand White rabbits. All animals were randomly assigned to 1 of 3 groups: the control group (spontaneous healing without material, n=10), the biphasic calcium phosphate (BCP) graft group (BCP, n=10), and the BCP graft with HA group (BCP/HA, n=10). The animals were evaluated 4 and 12 weeks after surgery. Half of the animals from each group were sacrificed at 4 and 12 weeks after surgery. Samples were evaluated using micro-computed tomography, histology, and histomorphometry. Results: The BCP group showed higher bone volume/tissue volume (BV/TV) values than the control and BCP/HA groups at both 4 and 12 weeks. The BCP and BCP/HA groups showed higher bone surface/tissue volume (BS/TV) values than the control group at both 4 and 12 weeks. The BCP group showed higher BS/TV values than the control and BCP/HA groups at both 4 and 12 weeks. No statistically significant difference in newly formed bone was found among the 3 groups at 4 weeks. The BCP group showed significantly higher new bone formation than the BCP/HA group at 12 weeks. Conclusions: Hard-type crosslinked HA did not show a positive effect on new bone formation and space maintenance. The negative effect of hard-type crosslinked HA may be due to the physical properties of HA that impede osteogenic potential.
Purpose: The aim of this study was to investigate the efficacy of photo-crosslinked gelatin methacryloyl (GelMa) hydrogel containing calcium phosphate nanoparticles (CNp) when applying different fabrication methods for bone regeneration. Methods: Four circular defects were created in the calvaria of 10 rabbits. Each defect was randomly allocated to the following study groups: 1) the sham control group, 2) the GelMa group (defect filled with crosslinked GelMa hydrogel), 3) the CNp-GelMa group (GelMa hydrogel crosslinked with nanoparticles), and 4) the CNp+GelMa group (crosslinked GelMa loaded with nanoparticles). At 2, 4, and 8 weeks, samples were harvested, and histological and micro-computed tomography analyses were performed. Results: Histomorphometric analysis showed that the CNp-GelMa and CNp+GelMa groups at 2 weeks had significantly greater total augmented areas than the control group (P<0.05). The greatest new bone area was observed in the CNp-GelMa group, but without statistical significance (P>0.05). Crosslinked GelMa hydrogel with nanoparticles exhibited good biocompatibility with a minimal inflammatory reaction. Conclusions: There was no difference in the efficacy of bone regeneration according to the synthesized method of photo-crosslinked GelMa hydrogel with nanoparticles. However, these materials could remain within a bone defect up to 2 weeks and showed good biocompatibility with little inflammatory response. Further improvement in mechanical properties and resistance to enzymatic degradation would be needed for the clinical application.
Hyun-Chang Lim;Kyeong-Won Paeng;Ui-Won Jung;Goran I. Benic
Journal of Periodontal and Implant Science
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v.53
no.6
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pp.429-443
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2023
Purpose: The aim of this study was to determine 1) the bone-regenerative effect of porcine bone block materials with or without collagen matrix incorporation, 2) the effect of a collagen barrier, and 3) the effect of adding recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) to the experimental groups. Methods: Four treatment modalities were applied to rabbit calvaria: 1) deproteinized bovine bone mineral blocks (DBBM), 2) porcine bone blocks with collagen matrix incorporation (PBC), 3) porcine bone blocks alone without collagen matrix incorporation (PB), and 4) PBC blocks covered by a collagen membrane (PBC+M). The experiments were repeated with the addition of rhBMP-2. The animals were sacrificed after either 2 or 12 weeks of healing. Micro-computed tomography (micro-CT), histologic, and histomorphometric analyses were performed. Results: Micro-CT indicated adequate volume stability in all block materials. Histologically, the addition of rhBMP-2 increased the amount of newly formed bone (NB) in all the blocks. At 2 weeks, minimal differences were noted among the NB of groups with or without rhBMP-2. At 12 weeks, the PBC+M group with rhBMP-2 presented the greatest NB (P<0.05 vs. the DBBM group with rhBMP-2), and the PBC and PB groups had greater NB than the DBBM group (P>0.05 without rhBMP-2, P<0.05 with rhBMP-2). Conclusions: The addition of rhBMP-2 enhanced NB formation in vertical augmentation using bone blocks, and a collagen barrier may augment the effect of rhBMP-2.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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