Additive manufacturing of bone grafts and fixation plates for critical premaxillary bone defects in rabbits: an in vivo study

Abstract

Deformidades maxilofaciais afetam aproximadamente 5% da população mundial, levando a comprometimentos funcionais e estéticos. A deficiência maxilar vertical, característica da síndrome da face curta, representa um desafio cirúrgico devido à instabilidade do reposicionamento inferior da maxila. A fixação interna rígida melhorou os resultados do tratamento, mas questões relacionadas a estabilidade persistem. A utilização da manufatura aditiva para a produção de enxertos ósseos e placas de fixação oferece uma abordagem promissora para aprimorar os resultados cirúrgicos, melhorando o suporte mecânico e o reparo ósseo. Este estudo teve como objetivo avaliar as propriedades biológicas do reparo ósseo em defeitos críticos na pré-maxila, comparando aplicações translacionais de fixação pré-maxilar utilizando placas e parafusos convencionais comparados a enxertos e placas produzidos por manufatura aditiva. Um estudo experimental in vivo controlado foi conduzido com 24 coelhos machos da espécie Oryctolagus cuniculus, divididos aleatoriamente em quatro grupos: PLATES, 3D-PRINTED PLATES, GRAFTS, and PLATES+GRAFTS. O desfecho primário foi a análise histomorfométrica do reparo ósseo. Os desfechos secundários incluíram avaliação do comportamento relacionado a dor, análise proteômica, Western blotting e análise por microtomografia computadorizada (micro-CT). As análises estatísticas incluíram análise de variância (ANOVA) de um fator e teste post hoc de Tukey. O comportamento de dor foi analisado usando o teste de Friedman com o teste post-hoc de Durbin-Conover. Um nível de significância de P≤0,05 foi aplicado. As análises histológicas e de micro-CT mostraram cicatrização óssea superior nos grupos 3D-PRINTED PLATES e PLATES+GRAFTS em comparação com os métodos convencionais (P<0,05). O número de trabéculas e a fração de volume ósseo foram maiores nesses grupos (P<0,05). A análise proteômica identificou aumento na expressão de pequenas proteoglicanas ricas em leucina (BGN, LUM, DCN), associadas a uma melhor remodelação óssea e organização da matriz extracelular. As avaliações do comportamento de dor indicaram escores mais baixos no grupo 3D-PRINTED PLATES durante os períodos pós-operatórios iniciais. Os achados sustentam a hipótese de que placas de fixação e enxertos baseados em manufatura aditiva aprimoram a cicatrização óssea em reposicionamentos inferiores de maxila. O uso de placas de fixação impressas em 3D, isoladamente ou em combinação com enxertos, melhora a estabilidade mecânica e a resposta biológica, oferecendo uma abordagem promissora para cirurgias maxilofaciais.

Maxillofacial deformities affect approximately 5% of the global population, leading to functional and esthetic impairments. Vertical maxillary deficiency, a characteristic of short face syndrome, presents surgical challenges due to the instability of inferior maxillary repositioning (IMR). Internal rigid fixation (IRF) has improved treatment outcomes, but stability issues remain. The use of additive manufacturing (AM) for bone grafts and fixation plates offers a promising approach to enhance surgical outcomes by improving mechanical support and bone healing. This study aimed to evaluate the biological properties of bone healing in critical premaxillary bone defects, comparing translational applications of premaxillary fixation using conventional plates and screws versus grafts and plates produced by additive manufacturing. A controlled in vivo experimental study was conducted using 24 male rabbits Oryctolagus cuniculus randomly divided into four groups: PLATES, 3DPRINTED PLATES, GRAFTS, and PLATES+GRAFTS. The primary outcome was the histomorphometry analysis of bone healing. Secondary outcomes included pain behavior, proteomic analysis, Western blotting, and micro-CT analysis. Statistical analyses included One-Way ANOVA with Tukey post-hoc tests. Pain behavior was analyzed using the Friedman test with the Durbin-Conover post-hoc test. A significance level of P≤0.05 was applied. Histological and micro-CT analyses showed superior bone healing in the 3D-PRINTED PLATES and PLATES+GRAFTS groups compared to conventional methods (P<.05). The trabecular number and bone volume fraction were higher in these groups (P<.05). Proteomic analysis identified increased expression of small leucine-rich proteoglycans (BGN, LUM, DCN), which are associated with improved bone remodeling and extracellular matrix organization. Pain behavior assessments indicated lower scores in the 3D-PRINTED PLATES group during early postoperative periods. The findings support the hypothesis that additive manufacturing-based fixation plates and grafts enhance bone healing in IMR procedures. The use of 3D-printed fixation plates alone or in combination with grafts improves mechanical stability and biological response, offering a promising approach for maxillofacial surgeries.