The effects of low-intensity ultrasound in bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide -fixed cancellous bone fracture

The purpose of the present study was to investigate the effects of low-intensity ultrasound on bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide (SR-PLLA) screws and on fracture healing after SR-PLLA device fixation in experimental and clinical cancellous bone fracture. In the first experimental study, the assessment of the mechanical strengths of the SR-PLLA screws was performed after 12 weeks of daily 20-minute ultrasound exposure in vitro. In the second experimental study, 32 male Wistar rats with an experimental distal femur osteotomy fixed with an SR-PLLA rod were exposed for daily low-intensity ultrasound treatment for 21 days. The effects on the healing bone were assessed. The clinical studies consist of three prospective, randomized, and placebo-controlled series of dislocated lateral malleolar fractures fixed with one SR-PLLA screw. The total number of the patients in these series was 52. Half of the patients were provided randomly with a sham ultrasound device. The patients underwent ultrasound therapy 20 minutes daily for six weeks. Radiological bone healing was assessed both by radiographs at two, six, nine, and 12 weeks and by multidetector computed tomography (MDCT) scans at two weeks, nine weeks, and 18 months. Bone mineral density was assessed by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). The clinical outcome was assessed by both Olerud-Molander scoring and clinical examination of the ankle. Low-intensity ultrasound had no effects on the mechanical properties and degradation behaviour of the SR-PLLA screws in vitro. There were no obvious signs of low-intensity ultrasound-induced enhancement in the bone healing in SR-PLLA-rod-fixed metaphyseal distal femur osteotomy in rats. The biocompatibility of low-intensity ultrasound treatment and SR-PLLA was found to be good. In the clinical series low-intensity ultrasound was observed to have no obvious effects on the bone mineral density of the fractured lateral malleolus. There were no obvious differences in the radiological bone healing times of the SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures after low-intensity ultrasound treatment. Low-intensity ultrasound did not have any effects on radiological bone morphology, bone mineral density or clinical outcome 18 months after the injury. There were no obvious findings in the present study to support the hypothesis that low-intensity pulsed ultrasound enhances bone healing in SR-PLLA-rod-fixed experimental metaphyseal distal femur osteotomy in rats or in clinical SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures. It is important to limit the conclusions of the present set of studies only to lateral malleolar fractures fixed with an SR-PLLA screw.

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.

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.

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.

Bioabsorbable materials for osteosynthesis and small joint arthroplasty in the hand

Fractures and arthritic joint destruction are common in the hand. A reliable and stable fracture fixation can be achieved by metal implants, which however, become unnecessary or even harmful after consolidation. The silicone implant arthroplasty is the current method of choice for reconstruction of metacarpophalangeal joints in rheumatoid patients. However, the outcome tends to worsen with long-term follow-up and implant-related complications become frequent. To address these problems, bioabsorbable implants were designed for the hand area. Aims of the studies were: 1) to evaluate the biomechanical stabilities provided by self- reinforced (SR) bioabsorbable implants in a transverse and an oblique osteotomy of small tubular bones and to compare them with those provided by metal implants; 2) to evaluate the SR poly-L/DL-lactide 70/30 plate for osteosynthesis in a proof-of-principle type of experiment in three cases of hand injuries; and 3) to evaluate the poly-L/D-lactide (PLA) 96/4 joint scaffold, a composite joint implant with a supplementary intramedullary Polyactive® stem and Swanson silicone implant in an experimental small joint arthroplasty model. Methods used were: 1) 112 fresh frozen human cadaver and 160 pig metacarpal bones osteotomised transversally or obliquely, respectively, and tested ex vivo in three point bending and in torsion; 2) three patient cases of complex hand injuries; and 3) the fifth metacarpophalangeal joints reconstructed in 18 skeletally-mature minipigs and studied radiologically and histologically. The initial fixation stabilities provided by bioabsorbable implants in the tubular bones of the hand were comparable with currently-employed metal fixation techniques, and were sufficient for fracture stabilisation in three preliminary cases in the hand. However, in torsion the stabilities provided by bioabsorbable implants were lower than that provided by metal counterparts. The bioabsorbable plate enhanced the bending stability for the bioabsorbable fixation construct. PLA 96/4 joint scaffolds demonstrated good biocompatibility and enabled fibrous tissue in-growth in situ. After scaffold degradation, a functional, stable pseudarthrosis with dense fibrous connective tissue was formed. However, the supplementary Polyactive® stem caused a deleterious tissue reaction and therefore the stem can not be applied to the composite joint implant. The bioabsorbable implants have potential for use in clinical hand surgery, but have to await validation in clinical patient series and controlled trials.

Novel insights on functions of myotilin/palladin family members

Poikkijuovaisen luuranko- ja sydänlihaksen supistumisyksikkö, sarkomeeri, koostuu tarkoin järjestyneistä aktiini- ja myosiinisäikeistä. Rakenne eroaa muista solutyypeistä, joissa aktiinisäikeistö muovautuu jatkuvasti ja sen järjestyminen säätelee solun muotoa, solujakautumista, soluliikettä ja solunsisäisten organellien kuljetusta. Myotilin, palladin ja myopalladin kuuluvat proteiiniperheeseen, jonka yhteispiirteenä ovat immunoglobuliinin kaltaiset (Igl) domeenit. Proteiinit liittyvät aktiinitukirankaan ja niiden arvellaan toimivan solutukirangan rakenne-elementteinä ja säätelijöinä. Myotilinia ja myopalladinia ilmennetään poikkijuovaisessa lihaksessa. Sen sijaan palladinin eri silmukointimuotoja tavataan monissa kudostyypeissä kuten hermostossa, ja eri muodoilla saattaa olla solutyypistä riippuvia tehtäviä. Poikkijuovaisessa lihaksessa kaikki perheen jäsenet sijaitsevat aktiinisäikeitä yhdistävässä Z-levyssä ja ne sitovat Z-levyn rakenneproteiinia, -aktiniinia. Myotilingeenin pistemutaatiot johtavat periytyviin lihastauteihin, kun taas palladinin mutaatioiden on kuvattu liittyvän periytyvään haimasyöpään ja lisääntyneeseen sydäninfarktin riskiin. Tässä tutkimuksessa selvitettin myotilinin ja pallainin toimintaa. Kokeissa löydettiin uusia palladinin 90-92kDa alatyyppiin sitoutuvia proteiineja. Yksi niistä on aktiinidynamiikkaa säätelevä profilin. Profilinilla on kahdenlaisia tehtäviä; se edesauttaa aktiinisäikeiden muodostumista, mutta se voi myös eristää yksittäisiä aktiinimolekyylejä ja edistää säikeiden hajoamista. Solutasolla palladinin ja profilinin sijainti on yhtenevä runsaasti aktiinia sisältävillä solujen reuna-alueilla. Palladinin ja profilinin sidos on heikko ja hyvin dynaaminen, joka sopii palladinin tehtävään aktiinisäideiden muodostumisen koordinoijana. Toinen palladinin sitoutumiskumppani on aktiinisäikeitä yhteensitova -aktiniini. -Aktiniini liittää solutukirangan solukalvon proteiineihin ja ankkuroi solunsisäisiä viestintämolekyylejä. Sitoutumista välittävä alue on hyvin samankaltainen palladinissa ja myotilinissa. Luurankolihaksen liiallinen toistuva venytys muuttaa Z-levyjen rakennetta ja muotoa. Prosessin aikana syntyy uusia aktiinifilamenttejä sisältäviä tiivistymiä ja lopulta uusia sarkomeereja. Löydöstemme perusteella myotilinin uudelleenjärjestyminen noudattaa aktiinin muutoksia. Tämä viittaa siihen, että myotilin liittää yhteen uudismuodostuvia aktiinisäikeitä ja vakauttaa niitä. Myotilin saattaa myös ankkuroida viesti- tai rakennemolekyylejä, joiden tehtävänä on edesauttaa Z-levyjen uudismuodostusta. Tulostemme perusteella arvelemme, että myotilin toimii Z-levyjen rakenteen vakaajana ja aktiinisäikeiden säätelijänä. Palladinin puute johtaa sikiöaikaiseen kuolemaan hiirillä, mutta myotilinin puutoksella ei ole samanlaisia vaikutuksia. Tuotettujen myotilin poistogeenisten hiirten todetiin syntyvän ja kehittyvän normaalisti eikä niillä esiintynyt rakenteellisia tai toiminnallisia häiriöitä. Toisaalta aiemmissa kokeissa, joissa hiirille on siirretty ihmisen lihastautia aikaansaava myotilingeeni, nähdään samankaltaisia kuin sairailla ihmisillä. Näin ollen muuntunut myotilin näyttä olevan lihaksen toiminnalle haitallisempi kuin myotilinin puute. Myotilinin ja palladinin yhteisvaikutusta selvittääksemme risteytimme myotilin poistegeenisen hiiren ja hiirilinjan, joka ilmentää puutteellisesti palladinin 200 kDa muotoa. Puutteellisesti 200 kDa palladinia ilmentävien hiirten sydänlihaksessa todettiin vähäisiä hienorakenteen muutoksia, mutta risteytetyillä hiirillä tavattiin rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia myös luurankolihaksessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että palladinin 200 kDa muoto säätelee sydänlihassolujen rakennetta. Luurankolihaksessa sen sijaan myotilinilla ja palladinilla näyttäisi olevan päällekkäisiä tehtäviä.

Stress responses of Gram-positive bacteria to cationic antimicrobial peptides

As the resistance of bacteria to conventional antibiotics has become an increasing problem, new antimicrobial drugs are urgently needed. One possible source of new antibacterial agents is a group of cationic antimicrobial peptides (CAMPs) produced by practically all living organisms. These peptides are typically small, amphipathic and positively charged and contain well defined a-helical or b-sheet secondary structures. The main antibacterial action mechanism of CAMPs is considered to be disruption of the cell membrane, but other targets of CAMPs also exist. Some bacterial species have evolved defence mechanisms against the harmful effects of CAMPs. One of the most effective defence mechanisms is reduction of the net negative charge of bacterial cell surfaces. Global analysis of gene expression of two Gram-positive bacteria, Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus, was used to further study the stress responses induced by different types of CAMPs. B. subtilis cells were treated with sublethal concentrations of a-helical peptide LL-37, b-sheet peptide protegrin 1 or synthetic analogue poly-L-lysine, and the changes in gene expression were studied using DNA macroarrays. In the case of S. aureus, three different a-helical peptides were selected for the transcriptome analyses: temporin L, ovispirin-1 and dermaseptin K4-S4(1-16). Transcriptional changes caused by peptide stress were examined using oligo DNA microarrays. The transcriptome analysis revealed two main cell signalling mechanisms mediating CAMP stress responses in Gram-positive bacteria: extracytoplasmic function (ECF)sigma factors and two-component systems (TCSs). In B. subtilis, ECF sigma factors sigW and sigM as well as TCS LiaRS responded to the cell membrane disruption caused by CAMPs. In S. aureus, CAMPs caused a similar stress response to antibiotics interfering in cell wall synthesis, and TCS VraSR was strongly activated. All of these transcriptional regulators are known to respond to several compounds other than CAMPs interfering with cell envelope integrity, suggesting that they sense cell envelope stress in general. Among the most strongly induced genes were yxdLM (in B. subtilis) and vraDE (in S. aureus) encoding homologous ABC transporters. Transcription of yxdLM and vraDE operons is controlled by TCSs YxdJK and ApsRS, respectively. These TCSs seemed to be responsible for the direct recognition of CAMPs. The yxdLM operon was specifically induced by LL-37, but its role in CAMP resistance remained unclear. VraDE was proven to be a bacitracin transporter. We also showed that the net positive charge of the cell wall affects the signalrecognition of different TCSs responding to cell envelope stress. Inactivation of the Dlt system responsible for the D-alanylation of teichoic acids had a strong and differential effect on the activity of the studied TCSs, depending on their functional role in cells and the stimuli they sense.