Scaffold Guided Mandibular Reconstruction With Axial Vascularization Using The Arterio-Venous Loop Model

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2012-09-10
Issue Year
2012
Authors
Eweida, Ahmad
Editor
Abstract

Background and Objectives Reconstruction of large and complex bone segments is one of the most challenging problems facing modern clinical practice. In order to diminish the donor site morbidity associated with autogenous bone transfer, synthetic biomaterials are being used nowadays to regenerate lost bone due to disease or trauma. The majority of currently applied regenerative medicine approaches rely on extrinsic vascularization, which could not be applied to reconstruction after cancer ablation. Our objective was to investigate the feasibility of regenerating a critical size mandibular defect in a goat using an axially vascularized synthetic bone substitute. Confirming the feasibility would help introducing regenerative medicine to reconstruction after cancer surgery. Materials and Methods This study is an experimental pilot study introducing the concept of axial vascularization of bone substitutes to regenerate a critical size mandibular defect in a large animal model (goat). In this study we used the facial vessels to create an arterio-venous loop in order to vascularize a biphasic ceramic scaffold. The scaffold was charged with platelet rich plasma and bone morphogenic proteins in order to augment osteogenesis. After a 6 months- follow up period, the new bone formation and vascularization were assessed through radiological (CT), biomechanical (3 points bending), and histological studies. Results and Observations We were able to demonstrate the technical feasibility of creating a local vascular axis through arterio-venous anastomosis within a synthetic bone substitute to regenerate a critical size mandibular defect. About 80% of the volume of the resected segment was regenerated. The biomechanical test showed that the mandible broke at a force of 1662.19 Newton. The histological study confirmed bone regeneration and adequate vascularization of the scaffold. Conclusions We were able to demonstrate for the first time through long-term follow up, radiological, histological, and biomechanical studies the feasibility of regenerating a critical size mandibular defect in a large animal using an axially vascularized bone substitute. The regenerated bone was mature, adequately vascularized and functionally competent. Further upgrading of this model by inducing a large segmental and possibly irradiated mandibular defect would be helpful to put the model in a real challenge and a very similar condition to clinical scenarios.

Abstract

Hintergrund und Ziele Die Rekonstruktion großer und komplexer Knochendefekte ist eine der anspruchsvollsten Fragestellungen in der heutigen klinischen Praxis. Um das Problem der Hebemorbidität eines autogenen Knochenersatz zu umgehen, werden heutzutage synthetische Biomaterialien verwendet. Die meisten der heutigen Ansätze basieren dabei auf einer extrinsischen Blutversorgung. Dieses Verfahren ist jedoch bei der Rekonstruktion nach Tumorentfernung nicht immer anwendbar. Ziel unserer Arbeit war die Evaluation eines axial und somit intrinsisch vaskularisierten synthetischen Knochenersatzes an einem Großtier-modell. Der Erfolg dieses Konzeptes erlaubt der Wiederherstellung von ausgedehnten, mandibulären Knochendefekten nach onkologischer Resektion. Material und Methoden Bei der vorliegenden Pilot-Studie wurde das Konzept des axial vaskularisierten synthetischen Knochenersatzes an einem Großtier-Modell (Ziege) untersucht. Hierbei wurde eine arterio-venöse Schleife basierend auf die Arterie und die Vene Fazialis zentral in ein biphasisches Keramik-konstrukt eingebracht, welches durch Zugabe von thrombozytenreichem Plasma (PRP) und Knochenwachstumsproteinen (BMP) zur Osteogenese angeregt wurde. Nach einer Beobachtungsintervall von 6 Monaten erfolgte die Charakterisierung der Knochenneubildung und-vaskularisation mit Hilfe von Computertomographie (CT) sowie durch biomechanische und histomorphologische Verfahren. Ergebnisse und Beobachtungen Die technische Eignung der axialen Vaskularisation eines synthetischen Knochenersatzes mittels einer arterio-venöser Schleife konnte beim Großtier-Modell bestätigt werden. Hierbei wurde ca. 80% des Knochenvolumens regeneriert. Die biomechanische Untersuchung hat einen Brechpunkt von 1662.19 Newton und somit eine gute Stabilität nachgewiesen. Die histomorphologische Untersuchung bestätigte die Wiederherstellung des Knochens sowie auch die reichende Vaskularisation des Konstrukts. Praktische Schlussfolgerung In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung das axial vaskulariserten, synthetischen Knochenersatzes bei der Wiederherstellung eines kritischen mandibulären Defektes erstmalig nachgewiesen. Der wiederhergestellte Knochen war voll entwickelt, ausreichend vaskularisiert, und funktionsfähig. Erweiterung dieses Modells durch Vergrößern bzw. Verstrahlen des mandibulären Defektes kann den klinischen Szenarios ganz gut ähneln.

DOI
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