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Bone graft substitutes in orthopedic applications have to fulfill various demanding requirements. Most calcium phosphate (CaP) bone graft substitutes are highly porous to achieve bone regeneration, but typically lack mechanical stability. This study presents a novel approach, in which a scaffold structure with appropriate properties for bone regeneration emerges from the space between specifically shaped granules. The granule types were tetrapods (TEPO) and pyramids (PYRA), which were compared to porous CaP granules (CALC) and morselized bone chips (BC). Bulk materials of the granules were mechanically loaded with a peak pressure of 4 MP; i.e., comparable to the load occurring behind an acetabular cup. Mechanical loading reduced the volume of CALC and BC considerably (89% and 85%, respectively), indicating a collapse of the macroporous structure. Volumes of TEPO and PYRA remained almost constant (94% and 98%, respectively). After loading, the porosity was highest for BC (46%), lowest for CALC (25%) and comparable for TEPO and PYRA (37%). The pore spaces of TEPO and PYRA were highly interconnected in a way that a virtual object with a diameter of 150 µm could access 34% of the TEPO volume and 36% of the PYRA volume. This study shows that a bulk of dense CaP granules in form of tetrapods and pyramids can create a scaffold structure with load capacities suitable for the regeneration of an acetabular bone defect
Ziel der vorliegenden Untersuchungen war der Vergleich von autogenen spongiösen und korti-kospongiösen Knochentransplantaten mit verschiedenen Knochenersatzmaterialien (KEM) in-vitro - an osteoblastären Zellen - und in-vivo - beim Sinuslift am Schafmodell. In den Zellkulturversuchen zeigten sich deutliche Unterschiede bezüglich der Proliferation und Differenzierung osteoblastärer Zellen für die verwendeten Niedrig-Temperatur-Hydroxylapatite (Bio-Oss, Algipore). Die besten Ergebnisse zeigten sich in Gegenwart des bioaktiven Glases Biogran, der demineralisierten allogenen Knochenmatrix (Grafton) und des β -Trikalzium-Phosphates (Cerasorb). Im Vergleich mit den übrigen KEM blieben die Resultate für das α- Trikalziumphosphat (Biobase) hinter der demineralisierten Knochenmatrix Grafton und den bioaktiven Gläsern und Osteograf/N zurück. Ein Vorteil der zellbindenden Eigenschaften der synthetisch hergestellten Peptidkette des PepGen P-15 (Hoch-Temperatur-Hydroxylapatit) hinsichtlich Zellproliferation und – differenzierung der osteoblastären Zellen war nicht eindeutig erkennbar. Alle von uns untersuchten autogenen Transplantate und KEM zeigten am Schafmodell eine kli-nisch gute Inkorporation. Es kam zu keinerlei Infektionen oder Abstoßungen des eingebrachten Materials. Die eingebrachten KEM heilten komplikationslos ein und waren alle in der Lage supportiv auf die Knochenneubildung einzuwirken. Die Verwendung autogenen Knochens als Goldstandard im mund-, kiefer- und gesichtschirurgi-schen Fachgebiet konnten wir in unserer Untersuchung bestätigen. Der transplantierte spongiöse und kortikospongiöse Knochen zeigte die besten Ergebnisse und konnte nach 12 Wochen nicht mehr eindeutig vom ortsständigen Knochen unterschieden werden. Allerdings war eine Atrophie, vor allem der Spongiosatransplantate nach 16 Wochen zu beobachten. Die eingebrachten auto-genen Transplantate erzielten quantitativ und qualitativ die beste Knochenneubildung. Die höhe-ren Knochenneubildungswerte bei gleichzeitig geringerer Atrophie sprechen für eine bessere biomechanische Adaptation des autogenen, kortikospongiösen Transplantates. Eine Diskrepanz der Ergebnisse zwischen dem in-vitro- und in-vivo- Versuchsteil konnte für das KEM PepGen P-15 (Hoch-Temperatur-Hydroxylapatit) beobachtet werden, begründet durch die Heterogenität des Zellgemisches. Im Vergleich zu den anderen verwendeten KEM lagen die für dieses Hoch-Temperatur-Hydroxylapatit tierexperimentell ermittelten Werte auf vergleichbarem Niveau. Im Tierversuch konnte Cerasorb (β -Trikalzium-Phosphate) eine deutliche Kno-chenneubildung bei gleichzeitiger Resorbierbarkeit attestiert werden. Tierexperimentell lagen die für das β -Trikalzium-Phosphat (Cerasorb) ermittelten Werte über denen des bioaktiven Glases (Biogran), aber hinter denen für Niedrig-Temperatur-Hydroxylapatite (Bio-Oss), welches die besten Ergebnisse auswies. Unter den verwendeten Knochenersatzmaterialien zeigen sich das Niedrig- Temperatur-Hydroxylapatit Bio-Oss im Tierversuch als das erfolgreichste. Bio-Oss zeigte keine Tendenz zur Biodegradierbarkeit. Die deutliche Diskrepanz zwischen dem in-vitro und in-vivo Teil der Versuche wurde explizit für dieses KEM beschrieben und ist durch das im Tierversuch breitere Zellspektrum zu erklären. Die Ergebnisse unserer Untersuchung bekräftigen den klinisch verbreiteten und weitestgehend komplikationslosen Einsatz von Bio-Oss.