Applications of coralline hydroxyapatite with bioabsorbable containment and reinforcement as bone graft substitute : An experimental study

The aim of the present experimental study was to find out if the applications of coralline hydroxyapatite (HA) can be improved by using bioabsorbable containment or binding substance with particulate HA in mandibular contour augmentation and by using bioabsorbable fibre-reinforced HA blocks in filling bone defects and in anterior lumbar interbody fusion. The use of a separate curved polyglycolide (PGA) containment alone or together with a fast resorbing polyglycolide/polylactide (PGA/PLA) binding substance were compared to the conventional non-contained method in ridge augmentation in sheep. The contained methods decreased HA migration, but the augmentations did not differ significantly. The use of the containment caused a risk for wound dehiscence and infection. Histologically there was a rapid connective tissue ingrowth into the HA graft and it was more abundant with the PGA containment compared to the non-contained augmentation and even additionally rich when the HA particles were bound with PGA/PLA copolymer. However, the bone ingrowth was best in the non-contained augmentation exceeding 10-12 % of the total graft area at 24 weeks. Negligible or no bone ingrowth was seen in the cases where the polymer composite was added to the HA particles and, related to that, foreign-body type cells were seen at the interface between the HA and host bone. The PGA and poly-dl/l-lactide (PDLLA) fibre-reinforced coralline HA blocks were studied in the metaphyseal and in the diaphyseal defects in rabbits. A rapid bone ingrowth was seen inside the both types of implants. Both PGA and PDLLA fibres induced an inflammatory fibrous reaction around themselves but it did not hinder the bone ingrowth. The bone ingrowth pattern was directed according to the loading conditions so that the load-carrying cortical ends of the implants as well as the implants sited in the diaphyseal defects were the most ossified. The fibre-reinforced coralline HA implants were further studied as stand-alone grafts in the lumbar anterior interbody implantation in pigs. The strength of the HA implants proved not to be adequate, the implants fractured in six weeks and the disc space was gradually lost similarly to that of the discectomized spaces. Histologically, small quantities of bone ingrowth was seen in some of the PGA and PDLLA reinforced coralline implants while no bone formation was identified in any of the PDLLA reinforced synthetic porous HA implants. While fragmented, the inner structure of the implants was lost, the bone ingrowth was minimal, and the disc was replaced by the fibrous connective tissue. When evaluated radiologically the grade of ossification was assessed as better than histologically, and, when related to the histologic findings, CT was more dependable than the plain films to show ossification of the implanted disc space. Local kyphosis was a frequent finding along with anterior bone bridging and ligament ossification as a consequence of instability of the implanted segment.

Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

Evaluation of the Biocompatibility of Poly (ortho ester), Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and the Composite of Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and Tricalciumphosphate as Bone Filling Material

The purpose of this series of studies was to evaluate the biocompatibility of poly (ortho) ester (POE), copolymer of ε-caprolactone and D,L-lactide [P (ε-CL/DL-LA)] and the composite of P(ε-CL/DL-LA) and tricalciumphosphate (TCP) as bone filling material in bone defects. Tissue reactions and resorption times of two solid POE-implants (POE 140 and POE 46) with different methods of sterilization (gamma- and ethylene oxide sterilization), P(ε-CL/DL-LA)(40/60 w/w) in paste form and 50/50 w/w composite of 40/60 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP and 27/73 w/w composite of 60/40 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP were examined in experimental animals. The follow-up times were from one week to 52 weeks. The bone samples were evaluated histologically and the soft tissue samples histologically, immunohistochemically and electronmicroscopically. The results showed that the resorption time of gamma sterilized POE 140 was eight weeks and ethylene oxide sterilized POE 140 13 weeks in bone. The resorption time of POE 46 was more than 24 weeks. The gamma sterilized rods started to erode from the surface faster than ethylene oxide sterilized rods for both POEs. Inflammation in bone was from slight to moderate with POE 140 and moderate with POE 46. No highly fluorescent layer of tenascin or fibronectin was found in the soft tissue. Bone healing at the sites of implantation was slower than at control sites with the copolymer in small bone defects. The resorption time for the copolymer was over one year. Inflammation in bone was mostly moderate. Bone healing at the sites of implantation was also slower than at the control sites with the composite in small and large mandibular bone defects. Bone formation had ceased at both sites by the end of follow-up in large mandibular bone defects. The ultrastructure of the connective tissue was normal during the period of observation. It can be concluded that the method of sterilization influenced the resorption time of both POEs. Gamma sterilized POE 140 could have been suitable material for filling small bone defects, whereas the degradation times of solid EO-sterilized POE 140 and POE 46 were too slow to be considered as bone filling material. Solid material is difficult to contour, which can be considered as a disadvantage. The composites were excellent to handle, but the degradation time of the polymer and the composites were too slow. Therefore, the copolymer and the composite can not be recommended as bone filling material.

Pannus invasion into cartilage and bone in rheumatoid arthritis

Rheumatoid arthritis is the most common of all types of arthritis and despite of intensive research etiology of the disease remains unclear. Distinctive features of rheumatic arthritis comprise continuous inflammation of synovium, in which synovial membrane expands on cartilage leading to pannus tissue formation. Pannus formation, appearance of proteolytic enzymes and osteoclast formation cause articular cartilage and bone destruction, which lead to erosions and permanent joint damage. Proteolytic pathways play major roles in the development of tissue lesions in rheumatoid arthritis. Degradation of extracellular matrix proteins is essential to pannus formation and invasion. Matrix metalloproteinases (MMP) form a large proteolytic enzyme family and in rheumatoid arthritis they contribute to pannus invasion by degrading extracellular matrix and to joint destruction by directly degrading the cartilage. MMP-1 and MMP-3 are shown to be increased during cell invasion and also involved in cartilage destruction. Increase of many cytokines has been observed in rheumatoid arthritis, especially TNF-α and IL-1β are studied in synovial tissue and are involved in rheumatoid inflammation and degradation of cartilage. Underlying bone resorption requires first demineralization of bone matrix with acid secreted by osteoclasts, which exposes the collagen-rich matrix for degradation. Cathepsin K is the best known enzyme involved in bone matrix degradation, however deficiency of this protein in pycnodysostosis patient did not prevent bone erosion and on the contrary pannus tissue invading to bone did not expressed much cathepsin K. These indicate that other proteinases are involved in bone degradation, perhaps also via their capability to replace the role of other enzymes especially in diseases like pycnodysostosis or during medication e.g. using cathepsin K inhibitors. Multinuclear osteoclasts are formed also in pannus tissue, which enable the invasion into underlying bone matrix. Pannus tissue express a receptor activator of nuclear factor kappa B ligand (RANKL), an essential factor for osteoclast differentiation and a disintegrin and a metalloproteinase 8 (ADAM8), an osteoclast-activating factors, involved in formation of osteoclast-like giant cells by promoting fusion of mononuclear precursor cells. The understanding of pannus invasion and degradation of extracellular matrix in rheumatic arthritis will open us new more specific methods to prevent this destructive joint disease.

Development of a new flexor tendon repair technique performed with bioabsorbable poly-L/D-lactide (PLDLA) suture

Sormen koukistajajännevamman korjauksen jälkeisen aktiivisen mobilisaation on todettu johtavan parempaan toiminnalliseen lopputulokseen kuin nykyisin yleisesti käytetyn dynaamisen mobilisaation. Aktiivisen mobilisaation ongelma on jännekorjauksen pettämisriskin lisääntyminen nykyisten ommeltekniikoiden riittämättömän vahvuuden vuoksi. Jännekorjauksen lujuutta on parannettu kehittämällä monisäieommeltekniikoita, joissa jänteeseen tehdään useita rinnakkaisia ydinompeleita. Niiden kliinistä käyttöä rajoittaa kuitenkin monimutkainen ja aikaa vievä tekninen suoritus. Käden koukistajajännekorjauksessa käytetään yleisesti sulamattomia ommelmateriaaleja. Nykyiset käytössä olevat biohajoavat langat heikkenevät liian nopeasti jänteen paranemiseen nähden. Biohajoavan laktidistereokopolymeeri (PLDLA) 96/4 – langan vetolujuuden puoliintumisajan sekä kudosominaisuuksien on aiemmin todettu soveltuvan koukistajajännekorjaukseen. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää välittömän aktiivisen mobilisaation kestävä ja toteutukseltaan yksinkertainen käden koukistajajännekorjausmenetelmä biohajoavaa PLDLA 96/4 –materiaalia käyttäen. Tutkimuksessa analysoitiin viiden eri yleisesti käytetyn koukistajajänneompeleen biomekaanisia ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa ydinompeleen rakenteellisten ominaisuuksien – 1) säikeiden (lankojen) lukumäärän, 2) langan paksuuden ja 3) ompeleen konfiguraation – vaikutuksen selvittämiseksi jännekorjauksen pettämiseen ja vahvuuteen. Jännekorjausten näkyvän avautumisen todettiin alkavan perifeerisen ompeleen pettäessä voima-venymäkäyrän myötöpisteessä. Ydinompeleen lankojen lukumäärän lisääminen paransi ompeleen pitokykyä jänteessä ja suurensi korjauksen myötövoimaa. Sen sijaan paksumman (vahvemman) langan käyttäminen tai ompeleen konfiguraatio eivät vaikuttaneet myötövoimaan. Tulosten perusteella tutkittiin mahdollisuuksia lisätä ompeleen pitokykyä jänteestä yksinkertaisella monisäieompeleella, jossa ydinommel tehtiin kolmen säikeen polyesterilangalla tai nauhamaisen rakenteen omaavalla kolmen säikeen polyesterilangalla. Nauhamainen rakenne lisäsi merkitsevästi ompeleen pitokykyä jänteessä parantaen myötövoimaa sekä maksimivoimaa. Korjauksen vahvuus ylitti aktiivisen mobilisaation jännekorjaukseen kohdistaman kuormitustason. PLDLA 96/4 –langan soveltuvuutta koukistajajännekorjaukseen selvitettiin tutkimalla langan biomekaanisia ominaisuuksia ja solmujen pito-ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa verrattuna yleisimmin jännekorjauksessa käytettävään punottuun polyesterilankaan (Ticron®). PLDLA –langan todettiin soveltuvan hyvin koukistajajännekorjaukseen, sillä se on polyesterilankaa venymättömämpi ja solmujen pitävyys on parempi. Viimeisessä vaiheessa tutkittiin PLDLA 96/4 –langasta valmistetulla kolmisäikeisellä, nauhamaisella jännekorjausvälineellä tehdyn jännekorjauksen kestävyyttä staattisessa vetolujuustestauksessa sekä syklisessä kuormituksessa, joka simuloi staattista testausta paremmin mobilisaation toistuvaa kuormitusta. PLDLA-korjauksen vahvuus ylitti sekä staattisessa että syklisessä kuormituksessa aktiivisen mobilisaation edellyttämän vahvuuden. Nauhamaista litteää ommelmateriaalia ei aiemmin ole tutkittu tai käytetty käden koukistajajännekorjauksessa. Tässä tutkimuksessa ommelmateriaalin nauhamainen rakenne paransi merkitsevästi jännekorjauksen vahvuutta, minkä arvioidaan johtuvan lisääntyneestä kontaktipinnasta jänteen ja ommelmateriaalin välillä estäen ompeleen läpileikkautumista jänteessä. Tutkimuksessa biohajoavasta PLDLA –materiaalista valmistetulla rakenteeltaan nauhamaisella kolmisäikeisellä langalla tehdyn jännekorjauksen vahvuus saavutti aktiivisen mobilisaation edellyttämän tason. Lisäksi uusi menetelmä on helppokäyttöinen ja sillä vältetään perinteisten monisäieompeleiden tekniseen suoritukseen liittyvät ongelmat.