Origami-Inspired Deployable Fixation and Scaffold System Optimized by Machine Learning for Pediatric Distraction Osteogenesis

Distraction osteogenesis (DO) is a widely accepted surgical technique used to regenerate bone by gradually separating two segments of a previously osteotomized bone. It leverages the body’s natural capacity for bone formation and is commonly used to correct congenital limb deformities, post-traumatic defects, and skeletal length discrepancies. While the procedure is highly effective, its clinical application—particularly in pediatric patients—remains constrained by anatomical and biological limitations. DO treatment involves prolonged consolidation times, patient discomfort from external fixators, and, in the case of growing individuals, the risk of damage to open growth plates. Additionally, existing regenerative strategies, including scaffold-based augmentation, fail to accommodate the evolving mechanical and geometrical environment imposed by progressive distraction. Despite its success, the standard DO protocol involves immobilization using external fixators for several months, posing discomfort, high infection risk, and significant psychosocial burdens for pediatric patients. Intramedullary lengthening nails, though more discrete, are generally not recommended in skeletally immature individuals due to the risk of injury to epiphyseal growth plates. For children requiring DO, a critical unmet need exists: a fixation system that is internal, load-bearing, and compatible with bone growth. Moreover, the mechanical environment of DO presents challenges for scaffold-based approaches. As the osteotomy gap increases from a few millimeters to several centimeters over the course of treatment, conventional scaffolds—typically designed for static defects—are unable to adapt to this dynamic geometry. Mechanical failure, loss of porosity, or inability to accommodate strain often compromise biological effectiveness of scaffolds. Clinically, this results in prolonged healing times and inconsistent bone quality, despite advances in scaffold biofabrication.

Résumé

’ostéogenèse par distraction (OD) est une technique chirurgicale largement reconnue qui permet de régénérer l’os en séparant progressivement deux segments osseux préalablement ostéotomisés. Elle exploite la capacité naturelle du corps à former de l’os et est couramment utilisée pour corriger les déformations congénitales des membres, les défauts post-traumatiques et les inégalités de longueur osseuse. Bien que la procédure soit très efficace, son application clinique—particulièrement chez les patients pédiatriques—reste contrainte par des limitations anatomiques et biologiques. Le traitement par OD implique des temps de consolidation prolongés, un inconfort pour le patient causé par les fixateurs externes et, chez les individus en croissance, un risque de lésion des plaques de croissance. En outre, les stratégies régénératives existantes, y compris l’utilisation d’échafaudages, ne parviennent pas à s’adapter à l’environnement mécanique et géométrique en évolution imposé par la distraction progressive. Malgré son succès, le protocole standard d’OD implique une immobilisation par fixateurs externes pendant plusieurs mois, engendrant inconfort, risque élevé d’infection et charges psychosociales importantes pour les patients pédiatriques. Les clous d’allongement intramédullaires, bien que plus discrets, ne sont généralement pas recommandés chez les individus immatures sur le plan squelettique, en raison du risque de lésion des plaques de croissance épiphysaires. Chez les enfants nécessitant une OD, un besoin critique non satisfait demeure : un système de fixation interne, capable de soutenir les charges mécaniques tout en étant compatible avec la croissance osseuse. De plus, l’environnement mécanique de l’OD pose des défis pour les approches basées sur les échafaudages. À mesure que l’espace d’ostéotomie s’agrandit au cours du traitement, les échafaudages conventionnels—typiquement conçus pour des défauts statiques—ne parviennent pas à s’adapter à cette géométrie dynamique. Les défaillances mécaniques, la perte de porosité ou l’incapacité à suivre les contraintes compromettent fréquemment leur efficacité biologique. Cliniquement, cela entraîne des temps de cicatrisation prolongés et une qualité osseuse inconstante, malgré les progrès en biofabrication.