The specific stimuli for osteogenesis are not clearly defined. It has been generally assumed that the chemical similarity of some biomaterials, such as hydroxyapatite and tri-calcium phosphate, to the mineral phase of bone generates a favorable osseous response. However, this does not account for the osseous response observed with a diverse range of metallic biomaterials that when placed in an osseous environment under appropriate conditions become osseointegrated. In this context, microtexture is essential for osseointegration;​ implants with irregularly microtextured surfaces (R^a 1-7 μm) are generally apposed by bone whereas those with polished surfaces (R^a « 0.5 μm) are generally apposed by fibrous tissue.

Understanding the specific local stimuli for osteogenesis provides important information to optimize cementless implant design and new bone formation. This thesis suggests that surface topography is a specific local stimulus for osteogenesis as demonstrated in the context of in vivo and in vitro models.

To test the stimulatory effect of surface texture, a technique was developed to apply an irregular microtexture to sintered beaded porous coatings which doubled the amount of bone ingrowth. Another technique was developed to mask the chemistry of plasma sprayed hydroxyapatite without altering its topography. Plasma sprayed hydroxyapatite coatings possess a distinct microtexture comparable to that found on commercially available microtextured implants. In this in vivo model nearly 80% of the osseous response to hydroxyapatite coated implants was attributed to surface topography not chemistry.

Further studies were undertaken to determine if a biological analog existed for the rough irregular surfaces found on commercially available microtextured implants. A fracture model was developed that generated a range clinically observed of fracture types. Overall the different fracture surfaces possessed an irregularmicrotexture (R^a = 2.85 ± 1.32 μm) that was not statistically different from those found on commercially available microtextured implants (R^a = 2-5 μm).

A novel method was developed to examine the response of pre-osteoblast cells to bone fracture surfaces. Disks of bone were fabricated from bovine tibia for in vitro study. A fractured surface was produced on these disks by splitting them with an osteotome. From each fractured disk pair, one half was polished to a smooth surface and the other left as fractured. A further subset of disks was produced by masking the surface chemistry with a nanometer thin layer of titanium using the technique previously described. Regardless of surface chemistry, bone or bone masked by titanium, formation of a mineralized matrix was observed only on the fractured surfaces. This suggested that the microtexture of the fracture surface may be a stimulus for new bone formation. Furthermore, the osseous response to microtextured implants may in fact be a response to what is perceived as a fracture surface.

Les stimuli specifiques de l’ostéogenèse ne sont pas clairement definis. Il est généralement reconnu que la similarité chimique des biomatériaux tels que l’hydroxyapatite avec la phase minérale de l’os cause une réponse osseuse anabolisante. Cependant, il est aussi connu que la microtexture est essentielle a l’osteointegration;​ les implants ayant des surfaces a microtexture irreguliere (R_a 1- 7 μm) sont généralement recouverts par de l’os alors que ceux ayant des surfaces polies (R_a « 0.5 μm) sont generalement recouverts par du tissu fibreux.

La compréhension des stimuli locaux specifiques de l’ostéogenèse procure une information importante pour optimiser le design d’implant sans ciment et la formation osseuse. Cette thèse élucide l’importance de la topographie de surface comme stimulus physique principal pour l'ostéogenèse, démontré par des expériences in vivo et in vitro.

Dans une experience in vivo, une technique a été developpée pour appliquer une microtexture irrégulière à des revêtements poreux de grains frittes-ceci a permis une augmentation de 60% de la formation osseuse. Une autre expérience a permis de développer une technique de masquage de la chimie de l’hydroxyapatite déposé par plasma avec du titane sans altérer sa topographie. Les revêtements d’hydroxyapatite déposés par plasma possèdent une microtexture distincte comparable a celles des implants a microtexture disponibles commercialement. Une etude in vivo a révélé qu’environ 80% de la réponse osseuse aux implants revêtus d’hydroxyapatite était attribue à la topographie de surface de l’hydroxyapatite, plutôt qu’à la chimie.

D’autres études furent entreprises pour explorer si un analogue biologique existait pour les surfaces d’implants à microtexture commercialement disponibles et connus pour faciliter l’osseointégration. Un modèle de fracture mécanique utilisant des os bovins fut développé pour générer une gamme de fractures d’os cortical observées cliniquement. D’une manière générale, les différentes surfaces de fracture possédaient une microtexture irrégulière (R_a = 2.8 μm) qui était très similaire à celle des implants è microtexture commercialement disponibles (R_a = 2- 5 μm).

Une méthode nouvelle fut développée pour examiner la réponse de préosteoblastes aux surfaces de fractures osseuses. Des disques d’os du tibia de bovins furent fabriqués pour des études in vitro. Ces disques furent prépareés avec des surfaces fracturées, à microtexture ou polies avec ou sans couche de masquage en titane. La formation de matrice mineralisee fut observee seulement sur les surfaces fracturees a microtextures, et pas sur les surfaces polies, indépendamment de la chimie. Ceci suggère que la microtexture de la surface fracturée joue un role dans la cascade de cicatrisation conduisant à la formation d’os nouveau. De plus, la réponse osseuse à des implants orthopédiques à microtexture ne représentent peut-être qu’une réponse biologique à ce qui est perçu comme une surface de fracture.