Effects of strontium loaded calcium phosphate cement on osteoporotic fracture defect healing

Abstract

In this thesis, CPC and SrCPC were used to evaluate bone healing in a critical size metaphyseal defect model in osteoporotic rats after 6 weeks and compared to an empty defect. Control empty defect showed a significantly lower bone formation. The highest bone remodeling was seen in the SrCPC group six weeks after biomaterial implantation. Trabecular bone formation in the SrCPC group was highest at the bone-implant interface when compared to CPC group (p<0.01). With respect to the entire defect region a similar scenario was seen in favor of SrCPC, where there was more bone formation when compared to both CPC (p=0.005) and empty control groups (p=0.0001). Moreover, an enhanced cortical bridging was seen in the SrCPC group in comparison to the others where large shifts in cortices were seen. In addition, these gaps were filled predominantly with cartilage and osteoid incase of the SrCPC group. Whereas fibrous tissue was the most common type in the CPC and empty control group. On examination of potential biomarkers for bone formation, a favorable condition was seen in the SrCPC group which exhibited an up regulation of bone formation markers such as bone morphogenic protein-2, osteocalcin and osteoprotegerin. At this time point differential gene expression also exhibited a remarkable up-regulation of bone formation genes like alkaline phosphatase, collagen 10a1 and osteocalcin in SrCPC group as well. Finally, a significantly higher Sr count was found in the SrCPC group by TOF-SIMS mostly in the areas of the new bone formation thereby suggesting the release of strontium ions form SrCPC. In summation, SrCPC enhanced bone formation in comparison to CPC and empty defects. In dieser Doktorarbeit werden Biomaterialien aus CPC und SrCPC und Leerdefekte als Kontrolle genutzt, um die Frakturheilung in einem metaphysären Defekt-Modell kritischer Größe in Ratten 6 Wochen post operationem zu evaluieren. Die Leerdefekt-Kontrolle zeigte eine signifikant niedrigere Knochenheilung. Der höchste Knochenumbau war in der SrCPC-Gruppe zu sehen. Die trabekuläre Knochenbildung war verglichen mit der CPC-Gruppe an der Knochen-Implantat-Grenzfläche am höchsten (p<0.01). Im Bezug auf die gesamte Defekt-Region kam es zu einem ähnlichen Ergebnis zugunsten SrCPC, wo mehr Knochenbildung, sowohl im Vergleich zu CPC (p=0.005) als auch im Vergleich zur Leerdefekt-Kontroll-Gruppe (p=0.0001) festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde eine verbesserte Überbauung des Defekt-Spaltes der Kortikalis in der SrCPC-Gruppe im Vergleich zu den anderen Gruppen festgestellt, in denen große Verschiebungen am Defekt-Spalt der Kortikalis zu sehen waren. Außerdem waren die Defekt-Regionen der SrCPC-Gruppe überwiegend mit Knorpel und Osteoid gefüllt, im Gegensatz zur CPC- und Leerdefekt-Kontroll-Gruppe, in denen im Defekt-Spalt überwiegend Bindegewebe festgestellt wurde. Immunhistochemisch zeigte sich eine Hochregulation von BMP-2 (bone morphogenic protein-2), Osteocalcin (OCN) und Osteoprotegerin (OPG) in der SrCPC-Gruppe im Vergleich zur Kontrolle. Zu diesem Zeitpunkt zeigte sich außerdem in der Genexpressions-Analyse eine bemerkenswerte Hochregulation der Expression von den Knochenbildungs-Markern Alkalische Phosphatase (ALPL), Kollagen Typ X alpha 1 (COL10A1) und Osteocalcin (OCN) in der SrCPC-Gruppe im Vergleich zur CPC-Gruppe. Schließlich wurde in den Bereichen, in denen sich der Knochen neu gebildet hat, in der SrCPC-Gruppe eine signifikant höhere Menge an Strontium im TOF-SIMS gefunden, was die positive Wirkung von Strontium auf den Knochenaufbau bestätigt. Zusammenfassend ist zu sagen, dass Strontium einen positiven Einfluss auf die knochenaufbauenden Parameter ausübt, was in einer verbesserten Knochenbildung resultiert.