Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 139-151.

Critical-sized bone defects (CSBDs) are causing a significant challenge in orthopedic surgery due to
their inability to heal spontaneously, demanding innovative biomaterials to enhance bone formation.
Current therapies, as autografts and allografts, are restricted by donor site morbidity and immune
rejection. The current study presents a novel, biocompatible composite material formed of nano-
graphene oxide (nGO), mineral trioxide aggregate (MTA), and hydroxyapatite (HAp) and designed to
control the unique characteristics of each component synergistically. The current study utilized a rat
model of 0.5 cm critical-sized radial bone defects. Forty-eight healthy male Wistar rats aged 3-4
months and weighing between 250 and 300 g were randomly divided into 4 groups. A 5 mm right
radius bone defect was created in all rats. nGO/MTA/Hap composite was inserted in the radial defect
in the Composite group, and nGO/MTA/Hap composite-seeded exosomes were inserted in the radial
defect in the Exosome-Composite group, nGO/MTA/Hap composite-mixed zinc oxide nano particles
were inserted in the radial defect in the nano zinc oxide -Composite group and the defect was left
untreated in the control group. Radiographic evaluation, computed tomographic scan, hematological,
serum biochemical parameters, and histopathological examination were evaluated at 0-, 4-, 8-, and 12-
week post-operative. Radiographic and computed tomography (CT) evaluation at 2-, 4-, 8-, and 12-
weeks post-operation elaborating the progressive bone formation in the Composite and exosome
composite groups compared to minimal changes in the nano zinc oxide -Composite group and
untreated group. Hematocrit, hemoglobin, Mean Corpuscular Volume (MCV), Mean Corpuscular
Hemoglobin(MCH), Mean Corpuscular Hemoglobin Concentration (MCHC), total red and white
blood cell count, and staff neutrophil count values showed non-significant differences among different
groups and within the same groups at different intervals. Composite and exosome composite groups
showed an increase in values of serum calcium, alkaline phosphatase, and platelet count, with a
decrease in neutrophil count and lipid peroxidase values when compared to a control ands nano zinc
oxide -Composite groups. Histopathological examination demonstrated strong composite integration,
massive cellular infiltration, and strong signs of osteoblast differentiation, causing approximately
complete defect closure at the 12th week. The current study highlights the potential of the
nGO/MTA/HAp composite as a biocompatible and osteoinductive composite for CSBD repair,
presenting enhanced mechanical strength, bioactivity, and osteoconductivity even being used alone or
when seeded with exosomes.

تُعد الفراغات العظمية ذات الحجم الحرج (CSBDs) تحديًا كبيرًا في جراحة العظام نظرًا لعدم قدرتها على الالتئام التلقائي، مما يستلزم تطوير مواد حيوية مبتكرة لتعزيز تكوّن العظم. وتُواجه العلاجات الحالية، مثل الزراعات الذاتية والزراعات المأخوذة من متبرعين، قيودًا تتمثل في مشكلات موقع التبرع ومخاطر الرفض المناعي. وتعرض الدراسة الحالية مادة مركبة جديدة ومتوافقة حيويًا، تتكون من أكسيد الجرافين النانوي (nano-GO)، والتريوكسيد المعدني (MTA)، وهيدروكسي أباتيت (HAp)، وقد صُممت لتحقيق تكامل تآزري بين الخصائص الفريدة لكل مكوّن. استخدمت الدراسة نموذجًا تجريبيًا في فئران من نوع ويستر ذكور، صحية، يتراوح عمرها بين 3 إلى 4 أشهر وأوزانها بين 250 و300 غرام، بمتوسط فراغ عظمي في الكعبرة اليمنى بطول 0.5 سم. تم تقسيم الفئران عشوائيًا إلى اربع مجموعات: أُدرج فيها مركب nano-GO/MTA/HAp في مجموعة "المركب"، والمركب المحمّل بالإكسوسومات في مجموعة "مركب-إكسوسوم"، والمركب مضاف اليه اكسيد الزنك النانوى في مجموعه اكسيد الزنك النانوي – مركب في حين تُرك الفراغ دون علاج في المجموعة الضابطة. وقد أُجريت التقييمات الشعاعية، والتصوير المقطعي المحوسب، والفحوصات الدموية والكيميائية الحيوية المصلية، والفحوصات النسيجية في الأسابيع 0 و4 و8 و12 بعد الجراحة. أظهرت التقييمات الشعاعية والتصوير المقطعي المحوسب في الأسابيع 2 و4 و8 و12 تقدمًا ملحوظًا في تكوّن العظم في المجموعتين المعالجتين المركب بالاكسوسوم والمركب فقط مقارنةً بتغيرات طفيفة في المجاميع الاخري. كما لم تُسجّل فروق ذات دلالة إحصائية في قيم مكداس الدم وخضاب الدم ، ومتوسط حجم الخلية (MCV)، ومحتوى الهيموجلوبين (MCH)، وتركيزه (MCHC)، وعدد كريات الدم الحمراء والبيضاء، وعدد خلايا النيتروفيل الغير الناضجة ، سواء بين المجموعات المختلفة أو داخل نفس المجموعة عبر الفترات الزمنية المختلفة. في المقابل، أظهرت مجموعتا المركب والمركب-الإكسوسومي زيادات في قيم الكالسيوم المصلي، والانزيم القلوى الفوسفاتي، وعدد الصفائح الدموية، مع انخفاض في عدد خلايا المتعادله وقيم انزيم بيروكسيد الدهون مقارنةً بالمجاميع الاخري. أما الفحص النسيجي فقد أظهر اندماجًا قويًا للمركب، وتسللًا خلويًا كبيرًا، وعلامات واضحة على تمايز بانيات العظم، ما أدى إلى إغلاق شبه تام للفراغ في الأسبوع الثاني عشر. وتُبرز الدراسة الحالية الإمكانيات الواعدة لمركب nano-GO/MTA/HAp كمادة حيوية متوافقة ومحفزة للتكوين العظمي في إصلاح الفراغات العظمية ذات الحجم الحرج، سواء عند استخدامه منفردًا أو محمّلًا بالإكسوسومات، لما يتمتع به من قوة ميكانيكية معززة، ونشاط حيوي، وقدرة على التوصيل العظمي.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.