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Multi-Scale Modification of Metallic Implants With Pore Gradients, Polyelectrolytes and Their Indirect Monitoring <em>In vivo</em>

Metallic implants, especially titanium implants, are widely used in  clinical applications. Tissue in-growth and integration to these implants in  the ...

INSERM

Hôpitaux Universitaires de Strasbourg

This article documents experiments performed in ewes to design an artificial larynx. The artificial larynx is composed of a hollow, porous tube that elongates the trachea and is capped with a valve that acts as a laryngeal sphincter. Through an industrial collaboration, our team developed a porous biomaterial that can be colonized by cervical tissues. This biomaterial has been used in animals to replace part of the trachea, but it is meant to eventually substitute for laryngeal cartilage. The tracheal prosthesis is a hollow cylindrical tube composed of titanium microbeads. We performed a study in large animals to establish an optimal surgical protocol for tracheal replacement in humans. The study included 11 sheep (n = 11) and compared 5 methods of implantation. We successfully established an optimal three-step surgical protocol to make the porous-titanium tracheal prosthesis functional: (1) large lumen endoprosthetics, (2) colonization by the peripheral tissues, and (3) endoprosthetic epithelialization. This study is the first step in developing an artificial larynx because it successfully identifies a biomaterial capable of extending the trachea to allow it to open at the junction of the upper aerodigestive tracts.

Development of surgical protocol for implantation of tracheal prostheses in sheep.

Cet article les documents des exp&eacute;riences r&eacute;alis&eacute;es chez les brebis pour concevoir un larynx artificiel. Le larynx artificiel est compos&eacute; d&#39;un tube creux, poreux qui prolonge la trach&eacute;e et est coiff&eacute; d&#39;une soupape qui agit comme un sphincter laryng&eacute;. Gr&acirc;ce &agrave; une collaboration industrielle, notre &eacute;quipe a d&eacute;velopp&eacute; un biomat&eacute;riau poreux qui peut &ecirc;tre colonis&eacute; par des tissus du col ut&eacute;rin. Ce biomat&eacute;riau a &eacute;t&eacute; utilis&eacute; chez les animaux pour remplacer une partie de la trach&eacute;e, mais qu&#39;elle est cens&eacute;e &eacute;ventuellement substituer &agrave; cartilage laryng&eacute;. La proth&egrave;se trach&eacute;ale est un tube cylindrique creux compos&eacute; de microbilles de titane. Nous avons r&eacute;alis&eacute; une &eacute;tude en grands animaux pour &eacute;tablir un protocole chirurgical optimal pour remplacement trach&eacute;ale chez les humains. L&#39;&eacute;tude a port&eacute; sur 11 moutons (n = 11) et compar&eacute; les 5 m&eacute;thodes d&#39;implantation. Nous avons r&eacute;ussi &agrave; &eacute;tablir un protocole chirurgical optimal de triple pour rendre la proth&egrave;se trach&eacute;ale titane poreux fonctionnel : lumen (1) grand endoproth&eacute;sie, (2) la colonisation par les tissus p&eacute;riph&eacute;riques et (3) proth&eacute;tique &eacute;pith&eacute;lialisation. Cette &eacute;tude est la premi&egrave;re &eacute;tape dans l&#39;&eacute;laboration d&#39;un larynx artificiel car il identifie avec succ&egrave;s un biomat&eacute;riau capable d&#39;&eacute;tendre la trach&eacute;e pour lui permettre d&#39;ouvrir &agrave; la jonction des voies a&eacute;rodigestives sup&eacute;rieures.

D&eacute;veloppement de protocole chirurgical pour l&#39;implantation de proth&egrave;ses trach&eacute;ales chez le mouton.

Questo articolo documenti esperimenti in pecore per la progettazione di una laringe artificiale. La laringe artificiale &egrave; composto da un tubo cavo, poroso che allunga la trachea ed &egrave; sormontato da una valvola che agisce come uno sfintere laringeo. Attraverso una collaborazione industriale, il nostro team ha sviluppato un biomateriale poroso che pu&ograve; essere colonizzato dai tessuti cervicali. Questo biomateriale &egrave; stato usato negli animali per sostituire parte della trachea, ma &egrave; destinato a sostituire alla fine di cartilagine della laringe. La protesi trachea &egrave; un tubo cilindrico cavo composto da microsfere di titanio. Abbiamo effettuato uno studio in grandi animali per stabilire un protocollo chirurgico ottimo per sostituzione tracheale negli esseri umani. Lo studio ha incluso 11 pecore (n = 11) e confrontato 5 metodi di impianto. Abbiamo stabilito con successo un&#39;ottimo protocollo chirurgico tre passaggi per rendere funzionale la protesi trachea titanio poroso: (1) grande lume endoprosthetics, (2) colonizzazione dai tessuti periferici e (3) endoprosthetic epitelizzazione. Questo studio &egrave; il primo passo nello sviluppo di una laringe artificiale perch&eacute; identifica correttamente un biomateriale in grado di estendere la trachea per consentire di aprire all&#39;incrocio tra le vie aerodigestive superiori.

Sviluppo del protocollo chirurgico per l&#39;impianto di protesi tracheale negli ovini.

In precedenza, abbiamo dimostrato che impianti di titanio macroporoso, colonizzati nel vivo insieme a un innesto epitelio, sono opzioni valide per sostituzione tracheale negli ovini. Per diminuire il numero di passaggi di funzionamento, basato su biomateriali sostituti per innesto epiteliale e l&#39;impianto intramuscolare sono stati sviluppati nel presente studio. Ibrido microporosa protesi tracheale PLLA/titanio sono stati progettati per diminuire la stenosi iniziale e forniscono una superficie di epitelizzazione. Sono stati impiantati nei conigli Nuova Zelanda bianca come sostituti tracheali e rispetto ai campioni di impianto intramuscolare. Inoltre, una membrana basale come rivestimento della superficie dell&#39;impianto &egrave; stata progettata anche dal metodo di strato per strato (LbL) con collagene e alginato. I risultati hanno mostrato che l&#39;inizio della stenosi pu&ograve; essere prevenuta con microporose PLLA. Per la determinazione del punto di tempo ottimale di epitelizzazione dopo l&#39;impianto, analisi HPLC di campioni di sangue, proteina C - reattiva (CRP) e Cromogranina A (CGA), analisi e istologia sono state effettuate. Dopo 3 settimane l&#39;impianto sarebbe stato pronto per l&#39;epitelizzazione per quanto riguarda la quantit&agrave; di integrazione dei tessuti. Calceina-AM con l&#39;etichetta delle cellule epiteliali semina hanno dimostrato che dopo 3 settimane dell&#39;impianto le superfici erano adatte per il loro fissaggio. Letture di CRP erano costante dopo un aumento iniziale nella prima settimana. Reticolato di collagene/alginato strutture mostrano nanofibrillarity e formano pellicole uniforme sopra le superfici dell&#39;impianto senza danneggiare la microporosit&agrave; del corpo PLLA. Cellule epiteliali respiratorie umane moltiplicate e migrarono su queste superfici che ha fornito un&#39;alternativa migliore alla superficie del film PLLA. In conclusione, ibrido rivestito di collagene/alginato LbL PLLA/titanio impianti sono opzioni valide per sostituzione tracheale, insieme con epitelizzazione in situ.

Modifica di titanio macroporoso trachea impianti con strutture biodegradabili: integrazione in vivo per la determinazione delle condizioni ottimali in situ epitelizzazione di rilevamento.

Previously, we showed that macroporous titanium implants, colonized in vivo together with an epithelial graft, are viable options for tracheal replacement in sheep. To decrease the number of operating steps, biomaterial-based replacements for epithelial graft and intramuscular implantation were developed in the present study. Hybrid microporous PLLA/titanium tracheal implants were designed to decrease initial stenosis and provide a surface for epithelialization. They have been implanted in New Zealand white rabbits as tracheal substitutes and compared to intramuscular implantation samples. Moreover, a basement membrane like coating of the implant surface was also designed by Layer-by-Layer (LbL) method with collagen and alginate. The results showed that the commencement of stenosis can be prevented by the microporous PLLA. For determination of the optimum time point of epithelialization after implantation, HPLC analysis of blood samples, C-reactive protein (CRP), and Chromogranin A (CGA) analyses and histology were carried out. Following 3 weeks the implant would be ready for epithelialization with respect to the amount of tissue integration. Calcein-AM labeled epithelial cell seeding showed that after 3 weeks implant surfaces were suitable for their attachment. CRP readings were steady after an initial rise in the first week. Cross-linked collagen/alginate structures show nanofibrillarity and they form uniform films over the implant surfaces without damaging the microporosity of the PLLA body. Human respiratory epithelial cells proliferated and migrated on these surfaces which provided a better alternative to PLLA film surface. In conclusion, collagen/alginate LbL coated hybrid PLLA/titanium implants are viable options for tracheal replacement, together with in situ epithelialization.

Modification of macroporous titanium tracheal implants with biodegradable structures: tracking in vivo integration for determination of optimal in situ epithelialization conditions.

Auparavant, nous avons montr&eacute; que la macroporeux implants en titane, colonis&eacute;s in vivo avec un greffon &eacute;pith&eacute;lial, sont des options viables pour remplacement trach&eacute;ale chez les ovins. Pour diminuer le nombre d&#39;&eacute;tapes de fonctionnement, ax&eacute;e sur les biomat&eacute;riaux remplacements pour greffe &eacute;pith&eacute;lial et implantation intramusculaire ont &eacute;t&eacute; d&eacute;velopp&eacute;s dans la pr&eacute;sente &eacute;tude. Hybride microporeux implants trach&eacute;es PLLA/titane ont &eacute;t&eacute; con&ccedil;us pour diminuer la st&eacute;nose initiale et pr&eacute;voir une surface &eacute;pith&eacute;lialisation. Ils ont &eacute;t&eacute; implant&eacute;s chez des lapins n&eacute;o-z&eacute;landais blancs comme des substituts trach&eacute;ales et par rapport aux &eacute;chantillons de l&#39;implantation par voie intramusculaire. De plus, une membrane de sous-sol comme rev&ecirc;tement de la surface de l&#39;implant &eacute;tait &eacute;galement con&ccedil;ue par m&eacute;thode couche par couche (LbL) avec le collag&egrave;ne et l&#39;alginate. Les r&eacute;sultats ont montr&eacute; que l&#39;entr&eacute;e en vigueur de la st&eacute;nose peut &ecirc;tre pr&eacute;venue par la microporeuse PLLA. Pour d&eacute;terminer le point de temps optimal d&#39;&eacute;pith&eacute;lialisation apr&egrave;s l&#39;implantation, analyse par CLHP de chromogranine A (CGA), prot&eacute;ine C - r&eacute;active (CRP) et des &eacute;chantillons de sang, analyses et histologiques ont &eacute;t&eacute; r&eacute;alis&eacute;es. Apr&egrave;s 3 semaines, l&#39;implant serait pr&ecirc;t pour &eacute;pith&eacute;lialisation en ce qui concerne le montant de l&#39;int&eacute;gration tissulaire. Calc&eacute;ine-AM &eacute;tiquet&eacute;s cellules &eacute;pith&eacute;liales ensemencement ont montr&eacute; qu&#39;apr&egrave;s que 3 semaines d&#39;implant surfaces sont pr&ecirc;taient &agrave; leur fixation. Lectures de CRP ont &eacute;t&eacute; stables apr&egrave;s une hausse initiale dans la premi&egrave;re semaine. R&eacute;ticul&eacute; collag&egrave;ne/alginate de structures montrent nanofibrillarity et ils forment des films uniformes sur les surfaces de l&#39;implant sans endommager la microporosit&eacute; du corps PLLA. Cellules &eacute;pith&eacute;liales respiratoires humaines se sont multipli&eacute;s et ont migr&eacute; sur ces surfaces qui a fourni une meilleure alternative &agrave; la surface du film PLLA. En conclusion, hybride rev&ecirc;tu de collag&egrave;ne/alginate LbL PLLA/titane les implants sont des options viables pour remplacement trach&eacute;ale, ainsi que de l&#39;&eacute;pith&eacute;lialisation in situ.

Modification de la macroporeux titane trach&eacute;ale implants avec structures biod&eacute;gradables : suivi de l&#39;int&eacute;gration in vivo pour la d&eacute;termination des conditions optimales d&#39;&eacute;pith&eacute;lialisation in situ.

Agnes Dupret-Bories

Biomatériaux et Bioingénieriee

INSERM

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Agnes Dupret-Bories

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