Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/95324
Title: Evaluation of bone formation using different physical forms of porcine heterologous bone grafts in a rabbit cancellous bone model
Authors: Almeida, Rui Isidro Falacho da Fonseca 
Orientador: Guerra, Fernando Alberto Deométrio Rodrigues Alves
Viegas, Carlos Alberto Antunes
Keywords: Bone Regeneration; Bone Substitutes; Heterologous Bone Grafts; Porcine Heterologous Bone Grafts; Rabbit cancellous bone model
Issue Date: 26-Feb-2020
Abstract: The recovery of lost or resorbed bone architecture is one of the main oral rehabilitation goals and the research on biomaterials that may assist in bone regeneration therapies is crucial. Porcine-derived bone graft materials present an alternative to other xenogeneic, autogenous and allogeneic grafts, exhibiting a genotype close to humans. The preservation and/or addition of collagen to these xenografts appears to promote biomaterial resorption and operate a significant role in their osteoconductive properties. Handling properties and the development of user-friendly presentations has also been in the center of biomaterial research. The main purpose of this study is to evaluate bone healing in the lateral aspect of the distal femur of a rabbit cancellous bone critical size defect in response to filling with different physical forms of heterologous porcine bone. Twenty-six adult male New Zealand White rabbits, weighing 5,2±0.56 kg, were divided into two series - two and four weeks - of thirteen animals in which a cylindrical bone defect of 5x10 mm was created, establishing a critical size defect in each test site of opposing limbs (n=52). The materials tested were porcine-derived granulated mixes without collagen (Apatos – Group I), with preserved collagen (Gen-Os – Group II), with preserved collagen and 10% collagen gel with prehydrated particles ( mp3 – Group III), with preserved collagen and 20% collagen gel with micronized particles ( Putty – Group IV) and with preserved collagen and 40% type I and III collagen gel with micronized particles ( Gel 40 – Group V). Material histological processing followed an undecalcified technique using high-precision Exakt system. The description of histomorphometric results was initially performed regarding new bone, particles and connective tissue percentages, according to both biomaterial and period of evaluation, with a significance level set at α = 0.05. As results, Group I (Apatos) showed a sequential and centripetal process in which bone defects were progressively invaded by trabeculae of new bone that coated, integrated and bound the particles among themselves and to the defect walls. Group II (Gen-Os) displayed intense osteoclastic activity, adjacent to osteoblast cells and osteoid matrix. Areas of immature and some lamellar bone tissue trabeculae colonize inter-particle spaces and replace the particles themselves. Group III (mp3) exhibited extensive bone trabeculae networks with bridging phenomena in which newly formed bone tissue integrates and connects graft particles both on the peripheral and central defect areas. At thirty days, mature bone tissue is prevalent, as well as a bone trabeculae network that not only establishes a continuity between opposite margins of the defect, but also along its entire perimeter. In Group IV (Putty) and Group V (Gel 40), the results of both time points have almost no variation and these formulations appear prone to particle dispersion and migration with few to no bone formation beyond the defect peripheral zones. Histomorphometric results at fifteen days of evolution are: - regarding the percentage of new bone, statistically significant differences were detected between mp3 and two other materials, namely Putty (p=.016) and Gel 40 (p=.014). - the percentage of particles in mp3 differs with statistical significance from Putty (p=.003) and Gel 40 (p=.006). - the percentage of connective tissue in the mp3 group differs with statistical significance from the Putty (p=.001) and Gel 40 (p=.002) groups. At thirty days of evolution: - considering the percentage of new bone, statistically significant differences are detected between mp3 and both the Putty (p=.035) and Gel 40 (p=.015). - regarding the percentage of particles, statistically significant differences were observed between mp3 and both the Putty (p=.022) and Gel 40 (p=.011), as well as between Apatos and the Putty (p=.014) and Gel 40 (p=.007) groups. - concerning connective tissue percentage, statistically significant differences were found between mp3 and both Putty (p=.020) and Gel 40 (p=.005). As conclusions: - tested porcine-derived bone graft materials present favorable biocompatibility and collagenated versions seem to display osteoconductive properties and resorption processes by osteoclasts, releasing collagen that exhibits a haptotactic role in attracting osteoprogenitor cells, thus promoting new bone formation. - mp3 appears to have a suitable performance in bone regeneration, being presented by this experimental study as the material of choice. - Apatos and Gen-Os exhibit promising results in terms of new bone formation, particle resorption, overall bone osteoconductivity and regeneration ability. - Although in a convenient syringe presentation, in this challenging critical size defect model, Putty and Gel 40 show meaningful unfavorable outcomes when compared to Apatos and Gen-Os, and statistically significant unfavorable outcomes when compared to mp3.
A recuperação da arquitetura óssea perdida é um dos principais objetivos da reabilitação oral, sendo crucial buscar biomateriais que possam coadjuvar terapias regenerativas. Os materiais de origem porcina constituem uma alternativa a outros enxertos xenógenos, autógenos e alógenos, exibindo um genótipo próximo ao humano. A preservação e/ou adição de colagénio a estes biomateriais parece promover reabsorção do enxerto e desempenhar um papel significativo nas suas propriedades osteocondutivas. As propriedades de manuseamento e o desenvolvimento de formulações mais user-friendly têm também sido investigadas. O objetivo primário do presente estudo consiste em avaliar a regeneração óssea num defeito de dimensão crítica em resposta ao preenchimento com diferentes formas físicas de osso heterólogo de origem porcina. Vinte e seis coelhos da estirpe “New Zealand White”, jovens machos adultos com um peso médio de 5,2±0,56 kg, divididos em duas séries - duas e quatro semanas - de treze animais cada, receberam um defeito ósseo cilíndrico de 5x10 mm na face distal do côndilo femoral em membros opostos, estabelecendo um defeito de dimensão crítica em cada local de teste (n=52). Os materiais de origem porcina testados foram particulados sem colagénio (Apatos); com colagénio preservado (Gen-Os); com colagénio preservado e 10% gel de colagénio com partículas pré-hidratadas (mp3); com colagénio preservado e 20% gel de colagénio com partículas menores que 300μm (Putty ); com colagénio preservado e 40% gel de colagénio do tipo I e III com partículas menores que 300μm (Gel 40). O processamento histológico das amostras seguiu um protocolo para material não descalcificado, com recurso ao sistema de alta precisão Exakt®. A descrição dos resultados histomorfométricos foi realizada considerando as percentagens de novo osso, partículas e tecido conjuntivo, de acordo com o biomaterial e o período de avaliação, estabelecendo um nível de significância de 5%. Como resultados, o Grupo I (Apatos) mostrou um processo sequencial e centrípeto no qual tecido ósseo revestiu, integrou e ligou as partículas entre si e estas com as paredes do defeito. O Grupo II (Gen-Os) apresentou uma atividade osteoclástica intensa, frequentemente adjacente a células osteoblásticas e matriz osteóide. Áreas de tecido ósseo imaturo e algumas trabéculas de tecido ósseo lamelar colonizam espaços inter-partículas e substituem as próprias partículas. O Grupo III (mp3) exibiu redes de trabéculas de tecido ósseo, observando-se fenómenos de bridging em que tecido ósseo recém-formado integra e liga partículas de enxerto, tanto nas áreas periféricas quanto centrais dos defeitos. Aos trinta dias, uma rede de trabéculas ósseas estabelece continuidade entre as margens opostas do defeito e também ao longo de todo o seu perímetro. Nos grupos IV (Putty) e V (Gel 40), verifica-se uma quase ausência de diferenças nos parâmetros medidos entre os dois momentos de avaliação, parecendo existir uma propensão para a dispersão e migração das partículas, com pouca ou nenhuma formação óssea além das zonas periféricas do defeito. No que concerne aos resultados histomorfométricos aos quinze dias de evolução: - relativamente à percentagem de novo osso, foram detetadas diferenças estatisticamente significantes do mp3 relativamente aos materiais Putty (p=.016) e Gel 40 (p=.014). - a percentagem de partículas no grupo do mp3 difere com significância estatística dos grupos do Putty (p=.003) e Gel 40 (p=.006). - a percentagem de tecido conjuntivo no grupo do mp3 difere com significância estatística dos grupos do Putty (p=.001) e Gel 40 (p=.002). Aos trinta dias de evolução: - considerando a percentagem de novo osso, diferenças estatisticamente significativas são detetadas entre o mp3 e os materiais Putty (p=.035) e Gel 40 (p=.015). - em relação à percentagem de partículas, foram observadas diferenças estatisticamente significativas entre o grupo do mp3 e os grupos do Putty (p=.022) e Gel 40 (p=.011), bem como entre o grupo do Apatos e os grupos do Putty (p=.014) e Gel 40 (p=.007). - no que concerne à percentagem de tecido conjuntivo, foram encontradas diferenças estatisticamente significativas do mp3 comparativamente com os materiais Putty (p=.020) e Gel 40 (p=.005). Conclui-se que: - todas as formulações testadas exibiram biocompatibilidade adequada e as versões colagenadas parecem demonstrar propriedades osteocondutivas e processos de reabsorção. - o material mp3 parece ter um desempenho adequado na regeneração óssea, constituindo o material de primeira linha entre os cinco biomateriais testados. - os materiais Apatos e Gen-Os apresentam resultados promissores na formação de novo osso, reabsorção de partículas, osteocondutividade e capacidade de regeneração. - apesar da apresentação conveniente, os resultados histológicos e histomorfométricos dos materiais Putty e Gel 40 revelaram-se inferiores aos restantes materiais testados, com diferença estatisticamente significativa quando comparados com o mp3.
Description: Tese de Doutoramento no Programa de Doutoramento em Ciências da Saúde, ramo de Ciências Biomédicas, apresentada à Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/95324
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:FMUC Medicina - Teses de Doutoramento
UC - Teses de Doutoramento

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