Despite substantial attention given to the development of osteoregenerative biomaterials, severe deficiencies remain in current products. These limitations include an inability to adequately, rapidly, and reproducibly regenerate new bone; high costs and limited manufacturing capacity; and lack of surgical ease of handling. To address these shortcomings, we generated a new, synthetic osteoregenerative biomaterial, hyperelastic "bone" (HB). HB, which is composed of 90 weight % (wt %) hydroxyapatite and 10 wt % polycaprolactone or poly(lactic-co-glycolic acid), could be rapidly three-dimensionally (3D) printed (up to 275 cm(3)/hour) from room temperature extruded liquid inks. The resulting 3D-printed HB exhibited elastic mechanical properties (~32 to 67% strain to failure, ~4 to 11 MPa elastic modulus), was highly absorbent (50% material porosity), supported cell viability and proliferation, and induced osteogenic differentiation of bone marrow-derived human mesenchymal stem cells cultured in vitro over 4 weeks without any osteo-inducing factors in the medium. We evaluated HB in vivo in a mouse subcutaneous implant model for material biocompatibility (7 and 35 days), in a rat posterolateral spinal fusion model for new bone formation (8 weeks), and in a large, non-human primate calvarial defect case study (4 weeks). HB did not elicit a negative immune response, became vascularized, quickly integrated with surrounding tissues, and rapidly ossified and supported new bone growth without the need for added biological factors.

Porous Ti addresses the longstanding orthopedic challenges of aseptic loosening and stress shielding. This work expands on the evolution of porous Ti with the manufacturing of hierarchically porous, low stiffness, ductile Ti scaffolds via direct-ink write (DIW) extrusion and sintering of inks containing Ti and NaCl particles. Scaffold macrochannels were filled with a subtherapeutic dose of recombinant bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) alone or co-delivered within a bioactive supramolecular polymer slurry (SPS) composed of peptide amphiphile nanofibrils and collagen, creating four treatment conditions (Ti struts: microporous vs. fully dense; BMP-2 alone or with SPS). The BMP-2-loaded scaffolds were implanted bilaterally across the L4 and L5 transverse processes in a rat posterolateral lumbar fusion model. In-vivo bone growth in these scaffolds is evaluated with synchrotron X-ray computed microtomography (μCT) to study the effects of strut microporosity and added biological signaling agents on the bone formation response. Optical and scanning electron microscopy confirms the ∼100μm space-holder micropore size, high-curvature morphology, and pore fenestrations within the struts. Uniaxial compression testing shows that the microporous strut scaffolds have low stiffness and high ductility. A significant promotion in bone formation was observed for groups utilizing the SPS, while no significant differences were found for the scaffolds with the incorporation of micropores. STATEMENT OF SIGNIFICANCE: By 2050, the anticipated number of people aged 60 years and older worldwide is anticipated to double to 2.1 billion. This rapid increase in the geriatric population will require a corresponding increase in orthopedic surgeries and more effective materials for longer indwelling times. Titanium alloys have been the gold standard of bone fusion and fixation, but their use has longstanding limitations in bone-implant stiffness mismatch and insufficient osseointegration. We utilize 3D-printing of titanium with NaCl space holders for large- and small-scale porosity and incorporate bioactive supramolecular polymers into the scaffolds to increase bone growth. This work finds no significant change in bone ingrowth via microporosity but significant increases in bone ingrowth via the bioactive supramolecular polymers in a rat posterolateral fusion model.