Biodegradation of porous calcium phosphate scaffolds in an ectopic bone formation model studied by x-ray computed microtomography

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Oggetto del lavoro (traduzione)

Tre tipi di supporti in ceramica con diversa composizione e struttura [cioè idrossiapatite sintetica al 100% (HA; Engipore), fosfato di calcio sintetico multifase contenente il 67% di fosfato tricalcico stabilizzato con Si (Si-TCP; Skelite ™) e supporti derivati dal minerale dell'osso naturale (Bio -Oss ®)] sono stati caricati con cellule staminali mesenchimali (MSC) e impiantati ectopicamente per 8 e 16 settimane in topi immunodeficienti. La microtomografia a raggi X è stata utilizzata per ricavare informazioni strutturali 3D sui supporti sia prima sia dopo l'impianto. Sono state ottenute delle immagini significative e dei parametri morfometrici come le percentuali in volume del supporto e dell'osso, e lo spessore delle varie fasi in funzione del tempo di impianto. Gli algoritmi utilizzati hanno permesso un confronto diretto e la registrazione della struttura 3D prima e dopo l'impianto, dello stesso sub-volume di un supporto dato. In questo modo è stato possibile monitorare direttamente la crescita del tessuto osseo ingegnerizzato e della degradazione totale o parziale del supporto.
Inoltre, gli studi dettagliati della cinetica della Skelite™ impiantata per tempi diversi da 3 giorni a 24 settimane, ha rivelato in istogrammi di assorbimento di raggi X, due picchi distinti associati a HA e TCP. Pertanto è stato possibile osservare che il progressivo degrado della  Skelite™ è dovuto principalmente al riassorbimento del TCP. I tempi di saturazione diversi nella crescita del tessuto osseo e nel  riassorbimento del TCP ha confermato che la crescita del tessuto osseo non era limitata alle regioni del supporto che sono state riassorbite, ma continua nella direzione interna rispetto alla superficie dei pori.

Job task

Three types of ceramic scaffolds with different composition and structure [namely synthetic 100% hydroxyapatite (HA; Engipore), synthetic calcium phosphate multiphase biomaterial containing 67% silicon stabilized tricalcium phosphate (Si-TCP; Skelite™) and natural bone mineral derived scaffolds (Bio-oss®)] were seeded with mesenchymal stem cells (MSC) and ectopically implanted for 8 and 16 weeks in immunodeficient mice. X-ray synchrotron radiation microtomography was used to derive 3D structural information on the same scaffolds both before and after implantation. Meaningful images and morphometric parameters such as scaffold and bone volume fraction, mean thickness and thickness distribution of the different phases as a function of the implantation time, were obtained. The used imaging algorithms allowed a direct comparison and registration of the 3D structure before and after implantation of the same sub-volume of a given scaffold. In this way it was possible to directly monitor the tissue engineered bone growth and the complete or partial degradation of the scaffold.

Further, the detailed kinetics studies on Skelite™ scaffolds implanted for different length of times from 3 days to 24 weeks, revealed in the X-ray absorption histograms two separate peaks associated to HA and TCP. It was therefore possible to observe that the progressive degradation of the Skelite™ scaffolds was mainly due to the resorption of TCP. The different saturation times in the tissue engineered bone growth and in the TCP resorption confirmed that the bone growth was not limited the scaffold regions which were resorbed but continued in the inward direction with respect to the pore surface.

Referente:

Prof. Franco Rustichelli

Dipartimento di Saifet - Scienze Fisiche

tel. 071 2204601

e-mail: f.rustichelli@univpm.it