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Osseointegration of two types of titanium cylinders with geometric or trabecular microarchitecture: A nanotomographic and histomorphometric study - 01/04/21

Ostéointégration de deux types de cylindres en titane avec microarchitecture géométrique ou trabéculaire : étude nanotomographique et histomorphométrique

Doi : 10.1016/j.morpho.2021.03.001 
L. Rony a, E. Aguado a, b, B. Verlee c, F. Pascaretti-Grizon a, D. Chappard a, d,
a GEROM - Groupe Etudes Remodelage Osseux et bioMatériaux, LabCom NextBone, Univ-Angers, IRIS-IBS Institut de Biologie en Santé, 49933 Angers, France 
b ONIRIS, Ecole Vétérinaire de Nantes, 44307 Nantes Cedex 3, France 
c SIRRIS Liège Science Park, Rue du bois St Jean 12, 4102 Seraing, Belgium 
d SCIAM, Service Commun d’Imagerie et Analyses Microscopiques, IRIS-IBS Institut de Biologie en Santé, Univ-Angers, 49933 Angers Cedex, France 

Corresponding author. GEROM - LHEA, IRIS-IBS Institut de Biologie en Santé, Université d’Angers, 49933 Angers Cedex, France.GEROM - LHEA, IRIS-IBS Institut de Biologie en Santé, Université d’AngersAngers Cedex49933France
Sous presse. Épreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le Thursday 01 April 2021
Cet article a été publié dans un numéro de la revue, cliquez ici pour y accéder

Highlights

Additive manufacturing with titanium powder was used to prepare porous cylinders as biomaterials for filling bone defects.
Two types of microarchitecture were used: geometric or trabecular.
There was no difference in term of bone volume and bone/titanium interface between the two microarchitecture either after 90 or 270days.
Osseointegration was limited to the periphery of the cylinders as the metal cannot transmit the stress to the bone cells enclosed in the pores.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Summary

Porous biomaterials promote osseointegration. We have prepared porous titanium cylinders by additive manufacturing from titanium beads. Two types of morphology were tested: cylinders with geometric pores or mimicking trabecular microarchitecture. Cylinders were decontaminated and cleaned by HF/HNO3 to remove unmelted balls. Surgical implantation in ewes was performed under general anesthesia and the animals were housed for 90 and 270days. The femoral condyles were collected and analyzed by nanoCT, embedded in pMMA and analyzed by histomorphometry. No significant difference was found in terms of bone volume or bone/titanium interface between the two types of cylinders. There was no evolution over time except for the mineralization rates which decreased, reflecting the effect of the aging of the animals. The influence of the pores (geometrical or “natural”) did not influence osseointegration. HF/HNO3 etching treatments are effective on the outermost surfaces but do not seem to reach the central cavities of the samples. Finally, osseointegration seems to occur only in the few millimeters around the periphery of the implants and does not extend in the center. This is explained by the absence of stress transmission within the very rigid metal cylinders, preventing bone modeling and remodeling.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Résumé

Les biomatériaux poreux favorisent l’ostéointégration. Nous avons préparé des cylindres en titane poreux par fabrication additive à partir de billes de titane. Deux types de morphologie ont été testés : cylindres avec des pores géométriques ou mimant la microarchitecture trabéculaire. Les cylindres ont été décontaminés et nettoyés par HF/HNO3 pour enlever les billes non fondues. Une implantation chirurgicale chez la brebis a été effectuée sous anesthésie générale et les animaux ont été stabulés pendant 90 ou et 270jours. Les condyles fémoraux ont été prélevés et analysés par nanoCT, puis inclus en pMMA et analysés par histomorphométrie. Nous n’avons pas retrouvé de différence significative en termes de volume osseux ou d’interface os/titane entre les deux  types de cylindres. Il n’y avait pas d’évolution au cours du temps sauf pour les vitesses de minéralisation qui ont diminué, ceci reflétant l’effet du vieillissement des animaux. L’influence des pores (géométriques ou « naturels ») n’a pas eu d’influence sur l’ostéointégration. Les traitements par gravure HF/HNO3 sont efficaces sur les surfaces les plus externes mais ne semblent pas atteindre les cavités centrales des prélèvements. Enfin, l’ostéointégration semble n’intéresser que les quelques millimètres en périphérie des implants et s’étend peu en profondeur des cylindres. Ceci est expliqué par l’absence de transmission de contraintes au sein des cylindres métalliques très rigides, empêchant le modelage et le remodelage osseux.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Titanium, Trabecular scaffold, Osseointegration, Geometric architecture, Histomorphometry


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