Efficacy of three dimensionally printed poly caprolactone/beta tricalcium phosphate scaffold on mandibular reconstruction

Abstract

서론 악구강계의 재건에서 유리 피판 이식과 관련된 공여부의 합병증은 환자들의 삶의 질을 현저히 낮출 수 있는 요인이다. 또한, 외과 의사의 술기와 숙련도에 의존하는 경향으로 미세혈관수술의 결과는 예측이 어려운 경우도 있다. 이러한 재건수술의 부담을 덜기 위하여 골 조직 공학에 대한 연구가 수행되어 왔다. 최근 몇 년 동안, 삼차원 프린팅 기술의 진보는 외과의와 연구자들로 하여금 조직공학을 악구강계 재건에 적용하는 데에 있어 신속성과 정확성을 뒷받침하고 있음이 보고되고 있다. 폴리카프로락톤 /베타삼인산칼슘 (polycaprolactone/β-tricalcium phosphate, PCL/β-TCP)의 유용성은 시험관 내 및 생체 내 실험을 통해 입증된 바 있다. 본 연구에서는 다축적층 시스템으로 PCL/β-TCP 지지체를 제작하였다. 하악골 재건을 위하여, 삼차원 프린트된 PCL/β-TCP 지지체의 효용성을 성견 하악골의 임계크기 결손부에서 파악하고자 하였다. 재료 및 방법 이 연구에서는 8 마리의 수컷 웅성 성견이 이용되었다. 실험군은 총 네 군으로 나누어졌다 (실험군당 각각 4개의 결손부). 첫째. 대조군에는 결손부에 아무런 처치도 하지 않았으며, 둘째, Scaffold군 (Scaffold)은 PCL/β-TCP 지지체만 이식하였으며, 셋째, BMP군은 제2형 재조합인간 골 형성 단백질 (rhBMP-2)이 침지된 PCL/β-TCP 지지체를 이식하였다. 넷째, ABP군의 결손부에는 입자화된 자가골을 삽입한 PCL/β-TCP 지지체를 이식하였다. PCL/β-TCP 지지체는 층별로 다른 크기로 이루어진 다공성 구조와 외부 날개 구조가 디자인되었다. 협설 양측으로 골막을 제거한 하악의 임계 크기의 결손부에 지지체를 이식하였다. 미세 전산 단층 촬영, 조직학 및 조직 형태 측정 분석을 위해 이식 12 주 후 동물을 안락사시켰다. 결과 rhBMP-2혼합된PCL/β-TCP 지지체 군과 양성대조군에서 새로운 골의 부피는 다른 군보다 유의하게 높았다 (P <0.05). 미세전산화 단층촬영 결과, 신생골의 평균 부피는 (평균 ± 표준 편차, mm3) 대조군, Scaffold, BMP 및 ABP 군에서 각각 27.96 ± 16.52, 33.55 ± 15.71, 97.17 ± 28.11 및 68.32 ± 21.47으로 계측되었다. BMP와 ABP 군은 대조군과 Scaffold군에 비해 유의하게 높은 신생골 양을 보였다 (P <0.05). 조직형태학적 분석에서 관심지역 상 새로운 골 형성의 양은 (평균 ± 표준 편차, %)은 22.70 ± 4.24, 25.78 ± 20.94, 33.27 ± 9.64 및 33.32 ± 14.66 (P = 0.052)였다. 결론 이 연구는 성견 하악골의 큰 결손부에서 삼차원 프린트된 PCL/β-TCP 지지체의 효용성을 평가하기 위해 수행되었다. 기존 연구와 비교해볼 때, 지지체에는 효과적인 골 형성을 위한 다른 크기로 구성된 다공성 구조 및 안정적인 스크류 고정을 위한 추가적인 날개 구조가 설계되었다. 본 연구의 한계 내에서, 삼차원 프린트된 PCL/β-TCP 지지체는 하악골 재건에 있어 긍정적인 가능성을 보였다.

Introduction In oromandibular reconstruction, donor-site morbidity after free tissue transfer is one of deteriorating factors for patient’s quality of life. And, depending on surgeon’s skill and experience, the result of microvascular surgery might be unpredictable. In order to reduce these burdens of the reconstructive surgery, numerous researches have been carried out on bone tissue engineering area. In recent years, it has been demonstrated that development of 3-dimensional (3D) printing technology has supported the researchers and surgeons to apply the bone tissue engineering to the oromandibular reconstruction. Polycaprolactone (PCL), 3D-printable polymer, combined with β-tricalcium phosphate (β-TCP) has been investigated via in vitro and in vivo experiments. In this study, PCL/β-TCP scaffolds were fabricated by multi-head deposition system. The feasibility of the 3D-printed PCL/β-TCP scaffolds for mandibular reconstruction was examined on critical-sized defect of canine mandible. Materials & Methods Eight 1-year-old male beagle dogs were used in this study. Experimental groups were divided into 4 groups (n=4 defects per group, respectively). (a) no further treatment (control group), (b) PCL/β-TCP scaffold alone (scaffold group), (c) PCL/β-TCP scaffold with recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) (BMP group) and (d) PCL/β-TCP scaffold with autogenous bone particles (ABP group). PCL/β-TCP scaffolds were fabricated with heterogeneous-sized pores and external wing structures. They were implanted into the mandibular critical-sized defect of which periosteum was bicortically resected. Animals were euthanized twelve weeks after implantation for micro computed tomographic, histologic and histomorphometric analyses. Results The micro-CT revealed that mean volume of new bone formation (mean ± standard deviation, mm3) was 27.96 ± 16.52, 33.55 ± 15.71, 97.17 ± 28.11 and 68.32 ± 21.47 in control, scaffold, BMP and ABP groups, respectively. BMP and ABP groups showed significant higher bone volume in comparison to control and scaffold group (P < 0.05). In histomorphometric analysis, the volume of new bone formation (mean ± standard deviation, %) was 22.70 ± 4.24, 25.78 ± 20.94, 33.27 ± 9.64 and 33.32 ± 14.66. A trend towards more bone formation was observed in BMP and ABP groups, but the results lacked statistical significance (P = 0.052). Conclusion This study was conducted to evaluate the feasibility of 3D-printed PCL/β-TCP scaffolds in large defect of canine mandible. The scaffold contained the heterogeneous pore sizes for more effective bone ingrowth and additional wing structures for more stable fixation. Within the limitations of the present study, 3D-printed PCL/β-TCP scaffolds showed acceptable potential for mandibular reconstruction.