Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Autogenetische Knochentransplantate von verschiedenen Spenderregionen stellen bis heute den höchsten Stand auf dem Gebiet der Knochenrekonstruktion dar, indem sie sowohl osteoinduktive als auch osteokonduktive Charakteristika aufweisen. Deren geringe Verfügbarkeit, die Unausgewogenheit zwischen Angebot und Nachfrage, und die normalerweise von autogenetischen Knochentransplantaten ausgehende Ansteckungsund Erkrankungsgefahr haben jedoch zur Entwicklung von biomimetischen Materialien geführt, die aufgrund ihrer strukturellen und chemischen Eigenschaften stark denen natürlicher Knochen ähneln. Soweit konnten allerdings nur einige wenige synthetische Materialien diese Kriterien erfüllen, da deren Eigenschaften eine optimale Knochenrekonstruktion erlauben. Biosilica wird unter physiologisch-relevanten Bedingungen (Temperatur und pH-Wert) mit Hilfe von Silicatein (Silica Protein)enzymatisch gebildet. Bei Letzterem handelt es sich um ein aus Silikat-Schwämmen isoliertes, kloniertes und rekombinant aufbereitetes Enzym, das katalytische Aktivität aufweist. Biosilica ist biologisch verträglich, hat einzigartige mechanische Eigenschaften und besitzt eine bedeutende osteoinduktive Aktivität.rnUm die Anwendung von Biosilica auf dem Gebiet der regenerativen Medizin zu erforschen, wurde Silicatein zusammen mit seinem Substrat Sodium-Metasilikat inrnMikrosphären eingekapselt, die auf Poly(D,L-Lactid)/Polyvinylpyrrolidon (PVP) basieren. Dies erfolgte unter Einsatz der w/o/w Methode durch Gießen von Lösungsmittel und führte zur Bezeichnung Poly(D,L-Lactid)-Silikatein-Silica-enthaltende Mikrosphären[PLASSM]. Durch einen weiteren essentiellen Schritt vor der Emulgierung mittels PVP wurde sowohl die Effizienz der Silicatein Einkapselung (40%) als auch die metabolische Stabilität, die Zytotoxizität als auch die Kinetik der Silicatein-Freisetzung aus den PLASSM unter biomimetischen Bedingungen untersucht. Als Stützpunkt für die PLASSM wurde eine auf Polyvinylpyrrolidon/Stärke/Na2HPO-basierende Matrix entwickelt, deren chemische sowie auch physikalische Eigenschaften daraufhin bestimmt wurden. Diese Plastik-ähnelnde Füllmatrix enthält Kieselsäure und wird somit kurz PMSA genannt. PMSA scheint sogar durch seine fehlende Toxizität und seine biologische Trägheit als osteokonduktives Material zu agieren. Wenn beide Komponenten, PLASSM und PMSA, gemeinsam hinzugefügt werden, bilden sie ein bifunktionelles, aus Zwei-Komponenten bestehendes Material für Implantate, das (i) nichttoxisch (biokompatibel), (ii) formbar und (iii) zu einem kontrollierbarem sowie klinisch-angemessenem Grad selbst-härtend ist, um es auf stabile Weise bei Knochendefekten jeder Art einzusetzen. Darüber hinaus ist es (iv) biologisch abbaubar, (v) wandelt sich nach Exposition zu Bedingungen, wie sie im Körper vorkommen, in ein poröses Material um und (vi) weist sowohl osteoinduktive (Silicatein)als auch osteokonduktive (PMSA) Eigenschaften auf.rnVorläufige in vivo Experimente wurden an Hasen-Femora ausgeführt, indemrnkünstliche Knochenschäden hervorgerufen wurden, die anschließend mit dem neuenrnImplantat-Material behandelt wurden. Neun Wochen nach der Implantation zeigtenrnsowohl Computertomographie (CT) als auch morphologische Analysen eine vollständige Resorption des eingepflanzten Materials sowie gleichzeitig eine komplette Regeneration des Knochens. Die in dieser Arbeit erhaltenen Daten können als ein bedeutender Beitrag zur erfolgreichen Einführung von Biosilica-enthaltenden Implantaten in das Gebiet der Knochenersatz-Chirurgie betrachtet werden.