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Biokompatibilitätsmessungen, Anwendung und histologische Untersuchung eines Kreuzbandtransplantats aus Kollagen-I basiertem Biomaterial am Tiermodell

Biocompatibility, application and histologic examination of a type I collagen based implant for reconstruction of the anterior cruciate ligament in an animal model

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-192501
  • Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Biokompatibilität von Kollagen I-basierten ACL-Konstrukten in-vitro und in-vivo zu überprüfen. Zudem erfolgte eine histologische Charakterisierung der Konstrukte nach sechswöchiger bzw. sechsmonatiger Versuchslaufzeit im Minipig-Tiermodell. Das Kollagen I wurde durch eine neuartige Methode aus Rattenschwänzen isoliert und zu einem Implantat geknotet und gewickelt. Die Fasern wurden mittels Proliferationsmessung, Proteinbestimmung, Zellzählung und Zellmorphologie auf in-vitro-Biokompatibilität getestet.Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Biokompatibilität von Kollagen I-basierten ACL-Konstrukten in-vitro und in-vivo zu überprüfen. Zudem erfolgte eine histologische Charakterisierung der Konstrukte nach sechswöchiger bzw. sechsmonatiger Versuchslaufzeit im Minipig-Tiermodell. Das Kollagen I wurde durch eine neuartige Methode aus Rattenschwänzen isoliert und zu einem Implantat geknotet und gewickelt. Die Fasern wurden mittels Proliferationsmessung, Proteinbestimmung, Zellzählung und Zellmorphologie auf in-vitro-Biokompatibilität getestet. Hier zeigte sich eine gute Biokompatibilität sowohl für γ-sterilisierte Fasern als auch für nicht sterilisierte Fasern. In der Sterilitätsüberprüfung waren nach Anpassung des Sterilisationsverfahrens weder Bakterien- noch Pilzwachstum nachweisbar. Diese Ergebnisse sind vergleichbar mit vielfältigen Studien zur Biokompatibilität von Kollagen, in denen jeweils gute Zellviabilität und –proliferation im direkten oder indirekten Kontakt mit Kollagen gezeigt werden konnte. Anschließend wurde das Konstrukt im Tierversuch direkt im Kniegelenk als vorderer Kreuzbandersatz implantiert. Nach Ablauf der Standzeit und Explantation der Kniegelenke wurden Paraffinschnittpräparate der Implantate sowie Paraffinschnittpräparate und Kunststoffschnittpräparate der ossa femora angefertigt und durchlichtmikroskopisch deskriptiv ausgewertet. Zusätzlich wurden die immunhistochemischen Färbungen Kollagen I des Schweins und der Ratte und Faktor VIII angefertigt, wobei in der Faktor VIII-Färbung zusätzlich eine quantitative Auswertung der Gefäßzahl vorgenommen wurde. Es wurde in der Kollagenfärbung ein Ersatz des Rattenkollagens durch das Schweinekollagen einhergehend mit einer hohen Zellzahl gezeigt. Eine synoviale Deckschicht und eine fortschreitende Vaskularisierung, sowie Form und Anordnung der Zellen zeigten Vorgänge des Remodeling. Innerhalb von 6 Monaten nahm die Vaskularisierung zu und neu gebildeter Geflechtknochen verengte die Bohrkanäle. Die Knochen-Implantat-Heilung war im Bohrkanal durch Sharpey´sche Fasern gekennzeichnet. Am Tunnelausgang fanden sich von sechs Wochen zu sechs Monaten Hinweise auf die fortschreitende Entwicklung einer direkten Bandinsertion. Diese Ergebnisse entsprechen weitgehend den in der Literatur beschriebenen Remodelingvorgängen bei Studien zum Thema Kreuzbandersatz. Die beginnende direkte Bandinsertion spricht für eine gute Fixation und die Einheilung begünstigende Eigenschaften des Implantates. Dies ist ein geeigneter Ansatz für weitere Untersuchungen. Von Seiten der Biokompatibilität und der Integration des Gewebes ist das Implantat zum Kreuzbandersatz geeignet. Es bleibt abzuwarten, inwieweit die erforderlichen mechanischen Eigenschaften erreicht werden können.show moreshow less
  • The aim of the study was to examine the biocompatibility of type I collagen based ACL constructs in vitro and in vivo. In addition, the constructs were histologically characterized after a test period of six weeks or six months in the minipig animal model. The type I collagen was isolated from rat tails by a novel method and knotted and wrapped into an implant. The fibers were tested for in vitro biocompatibility by proliferation measurement, protein determination, cell counting and cell morphology. This showed good biocompatibility forThe aim of the study was to examine the biocompatibility of type I collagen based ACL constructs in vitro and in vivo. In addition, the constructs were histologically characterized after a test period of six weeks or six months in the minipig animal model. The type I collagen was isolated from rat tails by a novel method and knotted and wrapped into an implant. The fibers were tested for in vitro biocompatibility by proliferation measurement, protein determination, cell counting and cell morphology. This showed good biocompatibility for both γ-sterilized fibers and for non-sterilized fibers. After adjustment of the sterilization process, neither bacterial nor fungal growth was detectable in the sterility check. These results are comparable to various studies on the biocompatibility of collagen, in which good cell viability and proliferation could be shown in direct or indirect contact with collagen. The construct was implanted directly in the knee joint as an anterior cruciate ligament replacement. After the explantation of the knee joints, paraffin-cut preparations of the implants as well as paraffin-cut preparations and plastic-cut preparations of the ossa femora were made and evaluated descriptively using light microscopy. In addition, the immunohistochemical stains type I collagen of the pig and the rat and factor VIII were prepared, with a quantitative evaluation of the number of vessels also being carried out in the factor VIII staining. In the collagen staining, a replacement of the rat collagen by the pig collagen was shown, along with a high cell number. A synovial cover layer and progressive vascularization, as well as the shape and arrangement of the cells showed processes of remodeling. Vascularization increased within 6 months and newly formed bone narrowed the drill channels. Bone implant healing was characterized by Sharpey fibers in the drill channel. At the tunnel exit, indications of the progressive development of a direct band insertion were found from six weeks to six months. These results largely correspond to the remodeling processes described in the literature for studies on the subject of anterior cruciate ligament replacement. The beginning of direct band insertion suggests good fixation and healing properties of the implant. This is a suitable approach for further investigations. In terms of biocompatibility and the integration of the tissue, the implant is suitable for anterior cruciate ligament replacement. To reach the mechanical properties will be the key for clinical use.show moreshow less
Metadaten
Author: Franziska Stöckhert
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-192501
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin
Referee:Prof. Dr. Heike Walles, Prof. Dr. Boris Michael Holzapfel
Date of final exam:2019/11/13
Language:German
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-19250
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
GND Keyword:Kollagen; Kreuzband; Biokompatibilität
Release Date:2019/12/18
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht