Abstract
Biomedical materials have always been a priority issue in the healthcare sector. In the orthopaedic field, skeletal replacements, in particularly, hips, knees and shoulders, have become a major health concern, affecting both the young and the older population. There is not yet a clear consensus on a generic material for use in bone tissue engineering applications and the search continues for improved biomaterials, providing the potential for long lasting implants which benefit both patients and surgeons. Materials design thus presents an enormous challenge from both the perspectives of selection and processing. The present paper will address the various material categories such as metals, ceramics, polymers and composites currently being used for the treatment of bone fractures. The new research directions and future for bone regenerative medicine will also be discussed.
Get full access to this article
View all access options for this article.
References
1.
Sommerfeldt
D. W.
and
Rubin
C. T.
Eur. Spine J ., 2001 , 10 , S86—S95.
2.
Weiner
S.
and
Wagner
H. D.
Am . Rev. Mater. Sc i ., 1998 , 28, 271 –298 .
3.
Sikavitsas
V. I.
,
Temenoff
J. S.
and
Mikes
A. G.
Biomaterials , 2001 , 22 , 2581 –2593 .
4.
Hench
L. L.
and
Wilson
J.
‘An introduction to bioceramics’ ; 1993 , p12 , London, World Scientific .
5.
Rodan
G. A.
: Bone , 1992 , 13 , S3—S6.
6.
Marriotti
G.
,
Zallone
A. Z.
and
Ledda
M.
Cakif. Tiss. Res ., 1976 , 21 , 96 –101 .
7.
Pritchard
J. J.
: in ‘The biochemistry and physiology of bone’, (ed.
Bourne
G. H.
), 45-67; 1972, New York, Academic Press.
8.
Currey
J. D.
: in ‘Handbook of composite’, (ed.
Kelly
A.
and
Mileiko
S. T.
501-563; 1983, New York, Elsevier Science Publishers BY.
9.
Chrischilles
E.
,
Shireman
T.
and
Wallace
R.
Bone , 1994 , 15 , 377 –386 .
10.
Hing
K. A.
: Phil. Trans. R Soc. Lond. A , 2004 , 362A , 2821 –2850 .
11.
Rose
F. R.
and
Oreffo
R. O.
Biochem. Biophys. Res. Commun ., 2002 , 292 , 1 –7 .
12.
Spitzer
R.
,
Perka
C.
,
Lindenhayn
K.
and
Zippel
H.
J. Biomed Mater. Res ., 2002 , 59 , 690 –696 .
13.
Petite
H.
,
Viateau
V.
,
Bensaid
W.
,
Meunier
A.
,
de Pollak
C.
,
Bourguignon
M.
,
Oudina
K.
,
Sedel
L.
and
Guillemin
G.
Nature Biotechnol , 2000 , 18 , 959 –963 .
14.
Simon
G. C.
,
Khatri
C. A.
,
Wight
S. A.
and
Wang
F. W.
J. Orthop. Res ., 2002 , 20 , 473 –482 .
15.
Gazdag
A. R.
,
Lane
J. M.
,
Glaser
D.
and
Forster
R. A.
J. Am. Acad Orthop. Surg ., 1995 , 3 , 1 –8 .
16.
Aho
A. J.
,
Ekfors
T.
,
Dean
P. B.
,
Aro
H. T.
,
Ahonen
A.
and
Nikkanen
V.
Clin. Orthop. Rel. Res ., 1994 , 307 , 200 –213 .
17.
Bauer
T. W.
and
Muschler
G. F.
Chit Orthop. Rel. Res., 2000, 371, 10 –27 .
18.
Park
J. B.
: ‘Biomaterials science and engineering’ ; 1987 , New York , Plenum Press .
19.
Hench
L. L.
: Science , 1980 , 208 , 826 –831 .
20.
Cooke
F. W.
: in ‘Biomaterials science: an introduction to materials in medicine’, (ed.
Ratner
B. D.
et al), 11-20; 1996, New York, Academic Press.
21.
Hench
L. L.
and
Ethridge
E. C.
‘Biomaterials: an interfacial approach’ ; 1982 , New York , Academic Press .
22.
Warashina
H.
,
Sakano
S.
,
Kitamura
S.
,
Yamauchi
K. I.
,
Yamaguchi
J.
,
Ishiguro
N.
and
Hasegawa
Y.
Biomaterials , 2003 , 24 , 3655 –3661 .
23.
Brunski
J. B.
: in ‘Biomaterials science: an introduction to materials in medicine’, (ed.
Ratner
B. D.
et al), 37-49; 1996, New York, Academic Press.
24.
Kim
H. M.
,
Miyaji
F.
,
Kokubo
T.
and
Nakamura
T.
J. Ceram. Soc. Jpn , 1997 , 105 , 111 –116 .
25.
Kim
H. M.
,
Miyaji
F.
,
Kokubo
T.
,
Nishiguchi
S.
and
Nakamura
T.
J. Biomed Mater. Res ., 1999 , 45 , 100 –107 .
26.
Nishio
K.
,
Neo
M.
,
Akiyama
H.
,
Nishiguchi
S.
,
Kim
H. M.
,
Kokubo
T.
and
Nakamura
T.
J. Biomed. Mater. Res ., 2000 , 52 , 652 –661 .
27.
Kokubo
T.
,
Kim
H. M.
,
Kawashita
M.
and
Nakamura
T.
J. Mater. Sci. Mater. Med ., 2004 , 15 , 99 –107 .
28.
Hench
L. L.
: J. Am. Ceram. Soc ., 1991 , 74 , 1487 –1510 .
29.
Ducheyne
P.
: J. Bone Joint Surg. B , 1994 , 76B , 861 –862 .
30.
Radin
S. R.
and
Ducheyne
P.
J. Blamed. Mater. Res ., 1993 , 27 , 35 –45 .
31.
Yubao
L.
,
Klein
C. P. A. T.
,
Zhang
X.
and
de Groot
K.
Biomaterials , 1994 , 15 , 835 –841 .
32.
Pereira
M. M.
,
Clark
A. E.
and
Hench
L. L.
J. Biomed. Mater. Res ., 1994 , 28 , 693 –698 .
33.
Neo
M.
,
Kotani
S.
,
Nakamura
T.
,
Yamamuro
T.
,
Ohtsuki
C.
,
Kokubo
T.
and
Bando
Y.
J. Biomed. Mater. Res ., 1992 ,26 , 1419 –1432 .
34.
Neo
M.
,
Nakamura
T.
,
Ohtsuki
C.
,
Kokubo
T.
and
Yamamuro
T.
J. Biomed Mater. Res ., 1993 , 27 , 999 –1006 .
35.
de Jong
W. F.
: Red Tray. Chim ., 1926 , 45 , 445 .
36.
Patel
N.
,
Best
S. M.
,
Bonfield
W.
,
Gibson
I. R.
,
Hing
K. A.
,
Damien
E.
and
Revell
P. A.
J. Mater. Sci. Mater. Med ., 2002 , 13 , 1199 –1206 .
37.
Patel
N.
,
Brooks
R. A.
,
Clarke
M. T.
,
Lee
P. M. T.
,
Rushton
N.
,
Gibson
I. R.
,
Best
S. M.
and
Bonfield
W.
J. Mater. Sci. Mater. Med ., 2005 , 16 , 429 –440 .
38.
Ni
G. X.
,
Lu
W. W.
,
Xu
B.
,
Chiu
K. Y.
,
Yang
C.
,
Li
Z. Y.
,
Lam
W. M.
and
Luk
K. D. K.
Biomaterials , 2006 , 27 , 5127 –5133 .
39.
Hench
L. L.
: J. Am. Ceram. Soc ., 1998 , 81 , 1705 –1727 .
40.
LeGeros
R. Z.
: Clin. Orthop. Re/at. Res ., 2002 , 395 , 81 –98 .
41.
Vallet-Regi
M.
and
Gonzalez-Calbet
J. M.
Frog. Solid State Chem ., 2004 , 32 , 1 –31 .
42.
Wilson
J.
,
Pigott
G. H.
,
Schoen
F. J.
and
Hench
L. L.
J. Biomed Mater. Res ., 1981 , 15 , 805 –817 .
43.
Hench
L. L.
and
West
J. K.
Life Chem. Rep ., 1996 , 13 , 187 –241 .
44.
Wilson
J.
,
Douek
E.
and
Rust
K.
Bioceramics , 1995 , 8 , 239 –246 .
45.
Stanley
H. R.
,
Hall
M. B.
,
Clark
A. C.
,
King
J. C.
,
Hench
L. L.
and
Berte
J. J.
Int. J. Oral Max. Impl , 1997 , 12 , 95 –105 .
46.
Wilson
J.
and
Low
S. B.
J. Appl. Biomater ., 1992 , 3 , 123 –169 .
47.
Hench
L. L.
,
Wilson
J.
and
Greenspan
D. C.
J. Austr. Ceram. Soc ., 2004 , 40 , 1 –42 .
48.
Hench
L. L.
: J. Mater. Sci. Mater. Med ., 2006 , 17 , 967 –978 .
49.
Langer
R.
and
Vacanti
J. P.
Science , 1993 , 260 , 920 –926 .
50.
Black
J.
and
Hastings
G. W.
‘Handbook of biomaterials proper-ties’ ; 1998 , London , Chapman and Hall .
51.
Ueda
H.
,
Hong
L.
,
Yamamoto
M.
,
Shigeno
K.
,
Inoue
M.
,
Toba
T.
,
Yoshitani
M.
,
Nakamura
T.
,
Tabata
Y.
and
Shimizu
Y.
Biomaterials , 2002 , 23 , 1003 –1010 .
52.
Murata
M.
,
Huang
B.
,
Shibata
T.
,
Imai
S.
,
Nagal
N.
and
Arisue
M.
Int. J. Oral Max. Surg ., 1999 , 28 , 232 –237 .
53.
Park
Y. J.
,
Lee
Y. M.
,
Park
S. N.
,
Sheen
S. Y.
,
Chung
C. P.
and
Lee
S. J.
Biomaterials , 2000 , 21 , 153 –159 .
54.
Lee
Y. M.
,
Park
Y. J.
,
Lee
S. J.
,
Ku
Y.
,
Han
S. B.
,
Klokkevold
P. R.
,
Choi
S. M.
and
Chung
C. P.
J. Periodontot , 2000 , 71 , 410 –417 .
55.
Salgado
A. J.
,
Gomes
M. E.
,
Chou
A.
,
Coutiho
O. P.
,
Reis
R. L.
and
Hutmacher
D. W.
Mater. Sci. Eng. C , 2002 , C20 , 27 –33 .
56.
Marques
A. P.
,
Reis
R. L.
and
Hunt
J. A.
Biomaterials , 2002 , 23 , 1471 –1478 .
57.
Takahashi
Y.
,
Yamamoto
M.
,
Yamada
K.
,
Kawakami
O.
and
Tabata
Y.
Tissue Eng ., 2007 , 13 , 293 –300 .
58.
Elisseeff
J.
,
Ferran
A.
,
Huang
S.
,
Varghese
S.
and
Zhang
Z.
Stem Cells Dev ., 2006 , 15 , 295 –303 .
59.
Mooney
D. J.
,
Baldwin
D. F.
,
Suh
N. P.
,
Vacanti
J. P.
and
Langer
R.
Biomaterials , 1996 , 17 , 1417 –1422 .
60.
Mikos
A. G.
,
Thorsen
A. J.
,
Czerwonka
L. A.
,
Bao
Y.
,
Langer
R.
,
Winslow
D. N.
and
Vacanti
J. P.
Polymer , 1994 , 35 , 1068 –1077 .
61.
Hutmacher
D. W.
,
Schantz
J. T.
,
Zein
I.
,
Ng
K. W.
,
Teoh
S. H.
and
Tan
K. C.
J. Biomed. Mater. Res ., 2001 , 55 , 203 –216 .
62.
Kweon
H.
,
Yoo
M. K.
,
Park
I. K.
,
Lim
T. H.
,
Lee
H. C.
,
Lee
H. S.
,
Oh
J. S.
,
Akaike
T.
and
Chi
C. S.
Biomaterials , 2003 , 24 , 801 –808 .
63.
Pulapuras
S.
,
Li
C.
and
Khon
J.
Biomaterials , 1990 , 11 , 666 –678 .
64.
Kohn
J.
and
Langer
R.
Biomaterials , 1986 , 7 , 176 –182 .
65.
Ishaug
S. L.
,
Yasemski
M. J.
,
Bizios
R.
and
Mikos
A. G.
J. Biomed Mater. Res ., 1994 , 28 , 1445 –1453 .
66.
Lehman
W. B.
,
Strongulater
A. B.
,
Tunc
D.
,
Kummer
F.
,
Atar
D.
,
Grant
A. D.
,
Kramer
M.
and
Rohovsky
M. W.
J. Pedlar Orthop. B , 1994 , 3B , 190 –193 .
67.
Griffith
L. G.
: Acta Mater ., 2000 , 48 , 263 –277 .
68.
Hoffman
A. S.
: Adv . Drug Deliv. Rev ., 2002 , 54, 3 –12 .
69.
Bonfield
W.
,
Grynpas
M. D.
,
Tully
A. E.
,
Bowman
J.
and
Abram
J.
Biomaterials , 1981 , 2 , 185 –186 .
70.
Dornhoffer
J. L.
: Laryngoscope , 1998 , 108 , 531 –536 .
71.
Wang
M.
,
Hench
L. L.
and
Bonfield
W.
J. Biomed. Mater. Res ., 1998 , 42 , 577 –586 .
72.
Wang
M.
,
Weng
J.
,
Goh
C. H.
,
Ni
J.
and
Wang
C. X.
Bioceramics , 2000 , 13 , 741 –744 .
73.
Wang
M.
,
Yue
C. Y.
and
Chua
B.
J. Mater. Sci. Mater. Med , 2001 , 12 , 821 –826 .
74.
Verheyen
C. C. P. M.
,
de Wijn
J. R.
,
van Blitterwijk
C. A.
,
de Groot
K.
and
Rozing
P. M.
J. Biomed. Mater. Res ., 1993 , 27 , 433 –444 .
75.
Ramakrishna
S.
,
Mayer
J.
,
Wintermantel
E.
and
Leong
K. W.
Compos. Sci. Technot , 2001 , 61 , 1189 –1224 .
76.
Wang
M.
: Biomaterials , 2003 , 24 , 2133 –2151 .
77.
Hench
L. L.
and
Polak
J. M.
Science , 2002 , 295 , 1014 –1017 .
78.
Baylink
D. J.
,
Finkelman
R. D.
and
Mohan
S.
J. Bone Min. Res ., 1993 , 8 , S565—S572.
79.
Mundy
G. R.
: J. Bone Min. Res ., 1993 , 8 , S505—S510.
80.
Nash
T. J.
,
Howlett
C. R.
,
Martin
C.
,
Steele
J.
,
Johnson
K. A.
and
Hicklin
D. J.
Bone , 1994 , 15 , 203 –208 .
81.
Jansen
J. A.
,
Vehof
J. W. M.
,
Ruhe
P. Q.
,
Kroeze-Deutman
H.
,
Kuboki
Y.
,
Takita
H.
,
Hedberg
E. L.
and
Mikos
A. G.
J. Control Release , 2005 , 101 , 127 –136 .
82.
Ong
J. L.
,
Carnes
D. L.
and
Sogal
A.
Int. J. Oral Max. Impl , 1999 , 14 , 217 –225 .
83.
Oliveira
A. L.
,
Malafaya
P. B.
and
Reis
R. L.
Biomaterials , 2003 , 24 , 2575 –2584 .
84.
ter Brugge
P. J.
,
Wolke
J. G. C.
and
Jansen
J. A.
J. Biomed Mater. Res ., 2002 , 60 , 70 –78 .
85.
Chang
Y.
,
Stanford
C. M.
,
Wefel
J. S.
and
Keller
J. C.
Int. J. Oral Max. Impl , 1999 , 14 , 239 –247 .
86.
Stevens
M. M.
and
George
J. H.
Science , 2005 , 310 , 1135 –1138 .
87.
Webster
T. J.
,
Schadler
L. S.
,
Siegel
R. W.
and
Bizios
R.
Tiss. Eng ., 2001 , 7 , 291 –301 .
88.
Mironov
V.
,
Boland
T.
,
Trusk
T.
,
Forgacs
G.
and
Markwald
R. R.
Trends Biotechnol , 2003 , 21 , 157 –161 .
89.
Pittenger
M. F.
: Nature , 2001 , 414 , 132 .