The effort to preserve the integrity and function of the skeletal system has driven scientific innovation for centuries. Clinical challenges—such as tooth loss, joint failure, limb amputation, and large bone voids caused by congenital defects, trauma, disease, or surgery—can be addressed with biomaterials. However, no single material can fully replicate the biological and mechanical complexity of bone across diverse anatomical locations.

This thesis investigates two aspects of bone regeneration using clinically relevant biomaterials:​ (i) the capacity of calcium phosphates (CaPs) to induce heterotopic bone formation both in association with and distant from the skeleton (Papers I-II) and (ii) the biological response to mechanical overload in osseointegrated titanium (Ti) implants, with a focus on re-osseointegration (Papers III-IV). Bone formation, remodelling, and repair processes were studied in two animal models—sheep and rats—and three anatomical locations:​ the occipital bone, soft tissue, and long bone, using complementary histological, microscopic, and spectroscopic techniques.

Papers I and II investigated bone formation in response to multicomponent CaPs composed of monetite, β-tricalcium phosphate, and calcium pyrophosphate (CaPP). In Paper I, CaP constructs implanted on the occipital bone of sheep induced bone formation via endochondral and intramembranous ossification. The newly formed bone resembled native bone in structure and composition and showed signs of long-term remodelling. In Paper II, subcutaneous implantation revealed that while increasing Ca-PP content did not inhibit bone formation or accelerate material degradation, it negatively affected bone quality. The long-term persistence of heterotopic bone appeared to be dependent on the continued presence of the CaP material.

While CaPs are widely used in non-load-bearing bone repair, metal implants remain the clinical standard for load-bearing skeletal reconstruction. Papers III and IV investigated the impact of mechanical overload on Ti implants and the potential for re-osseointegration. In Paper III, a new rat model simulated overload via snapdisruption of osseointegrated Ti implants. Four weeks after disruption, reosseointegration was confirmed, with restored biomechanical stability. Paper IV examined the biological cascade following overload, revealing a staged regenerative process leading to re-osseointegration.

This thesis demonstrates how CaPs promote bone formation beyond the skeletal envelope and how Ti implants can re-osseointegrate after mechanical failure. These findings offer valuable insights into the adaptive capacity of bone to improve bonebiomaterial performance and support regenerative and reconstructive applications in clinical settings.

Skelettets hälsostatus och funktion är grundläggande för människors fysiska funktion, rörlighet, allmänna välbefinnande och livskvalitet. Sjukdomar och trauma kan leda till ett flertal olika komplikationer som ofta kräver användning av biomaterial för att återskapa funktion och anatomi, såsom tandimplantat, ledproteser och läkning av större bendefekter. Denna avhandling undersöker två olika typer av biomaterial, båda kliniskt relevanta:​ kalciumfosfat och titan. Kalciumfosfat är en typ av keramiska material som liknar mineralfasen i benvävnad. Kan kalciumfosfat stimulera bentillväxt utanför skelettet? Titan är det vanligaste materialet i benförankrade implantat. Vad händer med benvävnadens reparationsförmåga efter mekanisk överbelastning av titanimplantatet?

I studie I och II studerades bentillväxten kring keramiska flerkomponentmaterial bestående av monetit, β-trikalciumfosfat och kalciumpyrofosfat, både nära skelettet (på skallbenet) samt långt ifrån skelettet (under huden) på får. Med hjälp av histologiska, mikroskopiska och spektroskopiska tekniker observerade vi att dessa material framgångsrikt inducerade bentillväxt, även utanför skelettet där ben normalt inte bildas. Vi såg även att mängden kalciumpyrofosfat i dessa material negativt påverkade kvaliteten på det nybildade benet, vilket betonar vikten av materialsammansättning vid utveckling av nya benersättningsmaterial.

I studie III och IV utvecklades en ny modell för att studera mekanisk överbelastning av titanimplantat. Genom histologiska och biomekaniska analyser visade våra observationer att benvävnaden kring implantatet hade en förmåga att återläka över tid och därmed återställa biomekanisk stabilitet och funktion. Denna upptäckt är lovande för att förbättra implantatbehandlingar, eftersom den antyder att benet har en inneboende förmåga att återhämta sig efter mekanisk överbelastning och återställa förbandet till implantatytan.

De slutsatser och insikter som erhållits från denna forskning har betydande kliniska implikationer. Förmågan hos keramiska flerkomponentmaterial av kalciumfosfater att inducera bentillväxt långt utanför skelettet är lovande vid behandling av stora bendefekter, särskilt hos patienter där eget bentransplantat inte är tillräcklig eller möjligt. Vidare kan förståelsen av de förhållanden som tillåter återläkning kring mekaniskt överbelastade titanimplantat förbättra implantatdesign och rehabiliteringsprotokoll, och därmed öka förutsägbarheten och lyckandegraden för ortopediska och dentala implantat.