In Vivo Studies of Bone Grafts for Maxillofacial Surgery

Abstract

O estudo e o desenvolvimento de novos substitutos ósseos aumentaram de formaacentuada nas últimas décadas, principalmente devido às desvantagens e aos perigosdos auto-enxertos e dos alo-enxertos. Os auto-enxertos são considerados os enxertosósseos ideais, no entanto a sua obtenção implica uma segunda intervenção cirúrgica, oque aumenta a morbilidade do paciente. Alo-enxertos foram apresentados como umaalternativa aos auto-enxertos, provenientes essencialmente de osso de cadáveres. Oenorme risco de transmissão de doenças priónicas e víricas (como o vírus do HIV, dahepatite B ou C) é enorme, para além do desenvolvimento frequente de reacçõesimunológicas de rejeição, que podem ser exuberantes. Hidroxiapatite (HA),Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH) ₂, é frequentemente utilizada como um biomaterial, devido à suasemelhança com a parte mineral do tecido ósseo humano. No entanto, foi demonstradoque a parte mineral do tecido ósseo humano é uma apatite de fosfato de cálcio multisubstituído. Deste modo, para que a HA tenha uma estrutura química muito próxima dotecido humano em questão, deve ter incorporado iões como o magnésio, flúor, sódio esilício. Em 1992, Santos e seus colaboradores demonstraram claramente que abioactividade da HA poderia ser grandemente aumentada com a incorporação de umvidro baseado num sistema P ₂ O ₅ -CaO. Este biomaterial foi então patenteado com onome de Bonelike®. A grande vantagem deste sistema reside na sua capacidade deincorporar diferentes iões na estrutura da HA, resultando num substituto ósseo sintéticocom uma composição química muito próxima da fase mineral do osso. Vários estudos invitro e in vivorealizados com este substituto ósseo, o Bonelike®, vieram a demonstrar asua elevada bioactividade e a sua boa osteo-integração

.Esta tese pretendeu testarin vivo, no coelho, novas aplicações deste substitutoósseo e desenvolver uma versão de fácil aplicação, de grânulos de Bonelike® associadosa um veículo biodegradável e biocompatível, que facilita a sua utilização em técnicascirúrgicas de invasão mínima e adicionar moléculas terapêuticas. Pretendeu-se aindatestar em casos clínicos seleccionados, de quistos benignos ósseos da mandíbula ou damaxila, a aplicação destes grânulos de Bonelike®. Foram ainda realizados ensaiosclínicos com implantes dentários de titânio, revestidos com Bonelike®. Nestes casos deimplantologia, a osteo-integração do implante dentário foi grandemente aumentada.Finalmente, descreveu-se e discutiram-se os efeitos secundários dos bifosfonatos, comoo zolendronato, em pacientes com mieloma múltiplo. Estes pacientes desenvolvemfrequentemente osteonecrose da mandíbula ou da maxila, quando sujeitos a estetratamento prolongado.

Após resultados promissores obtidos in vitro, muitos testes animais foramdesenvolvidos. Os grânulos de Bonelike® foram associados a duas matrizes reabsorvíveisdisponíveis no mercado, FloSeal® e Normal Gel 0.9% NaCl® e a uma moléculaterapêutica, o raloxifeno e foram testados em coelhos. Exame radiológico aos fémuresdos coelhos revelou uma elevada osteo-integração e uma regeneração dos defeitosósseos induzidos e preenchidos por grânulos do substituto ósseo associados aos veículoe/ou ao raloxifeno. Durante o período de regeneração, os coelhos recuperaramrapidamente, não apresentando sintomas locais ou sistémicos de rejeição. Após 12semanas, foram sacrificados para análise histológica, que veio a confirmar a osteointegração dos grânulos de Bonelike®, com a formação de novoosso. No caso deaplicação associada ao raloxifeno, no exame histológico não foi evidenciada actividadeosteoclástica.

Alternate abstract:

The research and development of new synthetic bone grafts increased over the pastdecades, mainly due to the disadvantages of autografts and allografts. Although autografts are considered the ideal bone graft, this type of bone graft requires anadditional surgery, which increases morbidity to the patient and the volume obtained isrelatively small. Allografts were presented as an alternative to autografts, but the risk of disease transmission, like HIV, hepatitis B and hepatitis C or any other disease still exists.In addition, there are reports of severe immunological reaction to the implant.Hydroxyapatite (HA), Ca ₁₀ (PO ₄) ₆ (OH)₂, is frequently used as a biomaterial, due to itssimilarity to the mineral phase of bone. However, it has been demonstrated that themineral phase of bone is a multi-substituted calcium phosphate apatite, so in order tohave a biomaterial with a closer chemical composition to the mineral phase of bone,different ions can be incorporated into the HA structure, like magnesium, fluoride, sodium and silicium. In 1992 Santos et al demonstrated that the bio activity of HA could beenhanced by the incorporation of glass based on the P ₂ O ₅-CaO system. This new biomaterial was later patented as Bonelike®. The great advantage of this system is the ability to incorporate different ions into the HA structure, resulting in a biomaterial with achemical composition closer to the mineral phase of bone. Several in vitro and in vivotests with Bonelike® showed its high bioactivity and osteointegration.

This thesis was designed to address new applications of Bonelike®, namely: to develop a user-friendly version of Bonelike® granules with the aim to obtain a system that would allow the association of therapeutic molecules to Bonelike® granules and whose application only require a minimal invasive surgery; to improve the osteointegration of titanium implants by coating them with Bonelike® and studying the biological response of different patients to the coated oral implants. Finally the secondary effects elicited byzolendronate, a bisphosphonate, characterised mainly by lytic bone lesions andosteonecrosis of the jaw in patients with multiple mieloma, were studied and reported.

After the promising results obtained in vitro, several animal tests were performed.Bonelike® granules were associated to two resorbable matrixes, FloSeal® and Normal Gel0.9% NaCl® and to a therapeutic molecule, raloxifene hydrochloride. X-ray analysis of therabbit femurs revealed high osteointegration and defect healing for all experimentalconditions. During the healing period, rabbits easily recovered and no rejection symptomswere observed in the implantation site for all implanted samples. After 12 weekshistological analyses confirmed the osteointegration of Bonelike® granules and the newbone formation, with almost complete regeneration of the bone defects. Similar resultswere obtained after the histological analysis of Bonelike® granules associated withxviFloSeal® and raloxifene hydrochloride. In this case no evidence of osteoclasts activity wasobserved which may be explained by the presence of raloxifene hydrochloride that isknown to inhibit osteoclast activity. The Bonelike® granules were completely surroundedby new bone with vascular structures and cement lines indicating active boneregeneration, demonstrating the presence of an active angiogenesis, which is an extremeimportant process for bone regeneration. The Bonelike® associated to a resorbable matrixseemed to act as an excellent scaffold for bone regeneration. In addition, this system canact as a controlled release system for therapeutic molecules and therefore enhancing theosteointegration of Bonelike®.