Biomaterials and Bioactive Agents in Spinal Fusion

Management  of  degenerative  spine  pathologies  frequently  leads  to  the  need  for  spinal  fusion,  where bone growth is induced towards stabilization of the interventioned spine. Autologous bone  graft  (ABG)  remains  the  gold  standard  inducer,  while  new  bone  graft  substitutes  attempt  to  achieve effective de  novo  bone  formation and  solid  fusion. Limited  fusion outcomes  have driven  motivation  for  more  sophisticated  and  multidisciplinary  solutions,  involving  new  biomaterials  and/or biologics, through innovative delivery platforms. The present review will analyze the most  recent  body  of  literature  focused  on  new  approaches  for  consistent  bone  fusion  of  spinal  vertebrae,  including  the  development  of  new  biomaterials  that  pursue  physical  and  chemical  aptitudes;  the  delivery  of growth  factors  (GF)  to accelerate  new  bone  formation;  and  the  use  of  cells to improve functional bone development. Bone graft substitutes currently in clinical practice,  such as demineralized bone matrix and ceramics are  still used as  starting point  for  study of  new  bioactive  agents.  Polyesters  such  as  polycaprolactone  and  polylactic  acid  arise  as  platforms  for  development  of  composites,  where  a  mineral  element  and  cell/growth  factors  constitute  the  delivery system. Exciting fusion outcomes were obtained in several small and large animal models  with  these.    On  what  regards  bioactive  agents,  mesenchymal  stem  cells,  preferentially  derived  from the bone marrow or adipose tissue, were studied in this context. Autologous and allogeneic  approaches,  as  well  as  osteogenically  differentiated  cells,  have  been  tested.  These  cell  sources  have  further  been  genetically  engineered  for  specific  growth  factor  expression.    Nevertheless,  results on fusion efficacy with cells have been inconsistent. On the other hand, delivery of growth  factors  (most  commonly  BMP‐2),  have  provided  favorable  outcomes.  Complications  related  to  burst  release  and  dosing  are  still  target  of  research  through  development  of  controlled  release  systems or alternative GF such as NELL‐1, Oxysterols or COMP‐Ang1. Promising solutions with new  biomaterial  and  GF  compositions  are  becoming  closer  to  the  human  patient,  as  these  evidence  high  fusion  performance, while  offering  cost and  safety advantages. The  use  of  cells  has  not yet  proven solid benefits, whereas further understanding of cell behavior remains a challenge.