Abstract Conventional top-down approaches in tissue engineering involving cell seeding on scaffolds have been widely used in bone engineering applications. However, scaffold-based bone tissue constructs have had limited clinical translation due to constrains in supporting scaffolds, minimal flexibility in tuning scaffold degradation, and low achievable cell seeding density as compared with native bone tissue. Here, we demonstrate a pragmatic and scalable bottom-up method, inspired from embryonic developmental biology, to build three-dimensional (3D) scaffold-free constructs using spheroids as building blocks. Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were introduced to human mesenchymal stem cells (hMSCs) (hMSC/HUVEC) and spheroids were fabricated by an aggregate culture system. Bone tissue was generated by induction of osteogenic differentiation in hMSC/HUVEC spheroids for 10 days, with enhanced osteogenic differentiation and cell viability in the core of the spheroids compared to hMSC-only spheroids. Aspiration-assisted bioprinting (AAB) is a new bioprinting technique which allows precise positioning of spheroids (11% with respect to the spheroid diameter) by employing aspiration to lift individual spheroids and bioprint them onto a hydrogel. AAB facilitated bioprinting of scaffold-free bone tissue constructs using the pre-differentiated hMSC/HUVEC spheroids. These constructs demonstrated negligible changes in their shape for two days after bioprinting owing to the reduced proliferative potential of differentiated stem cells. Bioprinted bone tissues showed interconnectivity with actin-filament formation and high expression of osteogenic and endothelial-specific gene factors. This study thus presents a viable approach for 3D bioprinting of complex-shaped geometries using spheroids as building blocks, which can be used for various applications including but not limited to, tissue engineering, organ-on-a-chip and microfluidic devices, drug screening and, disease modeling.

Axial micromotion between bone fragments can stimulate callus formation and fracture healing. In this study, we propose a novel mechanically compliant locking plate which achieves up to 0.6 mm of interfragmentary motion as flexures machined into the plate elastically deflect under physiological load. We investigated the biomechanical performance of three compliant plate variations in comparison to rigid control plates with small and large working lengths in a comminuted bridge plating scenario using humeral diaphysis surrogates. Under static axial loading, average interfragmentary motion was 6 times larger at 100 N (0.38 vs. 0.05 mm) and nearly three times larger at 350 N (0.58 vs. 0.2 mm) for compliant plates than rigid plates, respectively. Compliant plates delivered between 2.5 and 3.4 times more symmetric interfragmentary motion than rigid plates (p < 0.01). The bi-phasic stiffness of compliant pates provided 74%-96% lower initial axial stiffness up to approximately 100 N (p < 0.01), after which compliant plate stiffness was similar to rigid plates with increased working length (p > 0.3). The strength to failure of compliant plates under dynamic loading was on average 48%-55% lower than rigid plate groups (p < 0.01); however, all plates survived cyclic fatigue loading of 100,000 cycles at 350 N. This work characterizes the improvement in interfragmentary motion and the reduction in strength to failure of compliant plates compared to control rigid plates. Compliant plates may offer potential in comminuted fracture healing due to their ability to deliver symmetric interfragmentary motion into the range known to stimulate callus formation while surviving moderate fatigue loading with no signs of failure.

The objective of this study was to evaluate the biomechanical stability of a medially placed nitinol staple compared to two crossed-screws in the first TMT-1 joint fusion in a cadaveric cyclic loading model.

Abstract Fractures of the patella can be challenging to treat surgically. The current standard of tension band wiring is susceptible to wire loosening and fracture displacement. In this study we introduce a novel concept involving a flexible patella fixation device which leverages pre-strain to deliver interfragmentary compression concentrated anteriorly. Finite element analysis provides a preliminary exploration of the concept, demonstrating that two different flexible patella plates can provide increased anterior compression both alone and when paired with lag screws.

Abstract A novel flexure-based compliant bone plate is proposed for long bone fracture compression. Locking screws can be used in all screw holes while compression is generated through pretensioning of flexible elements in the plate. Performance differences are characterized for the use of both titanium alloy and stainless steel in the proposed plate. Biomechanical simulations are performed with finite element analysis to determine the fracture surface compression characteristics. The proposed compliant plating technology may offer unique benefits of both locked and compression plating.