Christian Franke

• Gelenkknorpel besitzt aufgrund seiner avaskulären Natur und der fehlenden mitotischen Aktivität der Chondrozyten bei Schäden kaum Potential zur Selbstheilung. Traumatische Läsionen und degenerative Veränderungen münden im Krankheitsbild der Osteoarthrose, welches mit dem Untergang des Gelenkknorpels einhergeht. Ein neuerer Therapieansatz ist das Tissue Engineering von Gelenkknorpel, wobei jedoch die laterale Integration der Implantate mit dem nativen Knorpelgewebe problematisch bleibt. Ein Adhäsivum kann neben einer adäquaten Sofortadhäsion dieGelenkknorpel besitzt aufgrund seiner avaskulären Natur und der fehlenden mitotischen Aktivität der Chondrozyten bei Schäden kaum Potential zur Selbstheilung. Traumatische Läsionen und degenerative Veränderungen münden im Krankheitsbild der Osteoarthrose, welches mit dem Untergang des Gelenkknorpels einhergeht. Ein neuerer Therapieansatz ist das Tissue Engineering von Gelenkknorpel, wobei jedoch die laterale Integration der Implantate mit dem nativen Knorpelgewebe problematisch bleibt. Ein Adhäsivum kann neben einer adäquaten Sofortadhäsion die Langzeitintegration fördern. In dieser Arbeit wurden verschiedene Polyethylenglykol (PEG)-basierte Zweikomponentenkleber, ausgehend vom kommerziell erhältlichen Gewebekleber CoSeal™, auf ihre Eignung für Gelenkknorpel untersucht. Dabei wurde Hyaluronsäure (HA) als physiologischer Bestandteil von Gelenkknorpel in thiolierter Form (HA-SH) als Komponente verwendet und auf seine prointegrativen Eigenschaften untersucht. Der den CoSeal™-Komponenten entsprechende 4-Succinimidyl-Glutarat/4-Thiol-PEG (4SG/4T-PEG)-Kleber hatte sich trotz seiner hohen Sofortadhäsionskraft auch nach der Substitution des 4T-PEG mit HA-SH als zu schnell in flüssiger Umgebung degradierend gezeigt, um eine suffiziente Langzeitintegration zu erreichen. Durch die Verwendung der langsamer degradierenden funktionellen 4-Succinimidyl-Carbonat-PEG (4C-PEG)-Komponente konnte die Langzeitadhäsionskraft in Kombination mit 4-Amin-PEG (4A-PEG) durch die stabilere Amid-Bindung zum einen und in Kombination mit HA-SH zum anderen signifikant gesteigert werden. Immunhistochemisch konnten bei beiden HA-haltigen Klebern Zeichen von Knorpelintegration nachgewiesen werden, während der 4C/4A-PEG-Kleber keine Integrationszeichen aufwies. Im 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium Bromid (MTT)-Assay war bei keinem Adhäsivum eine zytotoxische Wirkung zu erkennen. Insgesamt bieten die untersuchten PEG-basierten Adhäsiva im Vergleich zu den weitverbreiteten Fibrinklebern eine deutlich höhere Sofortadhäsion, welche vergleichbar mit glutaraldehydbasierten Klebern ist. Allerdings können die initialen adhäsiven Kräfte, trotz histologisch nachweisbaren Integrationszeichen bei Inkorporation von HA, nicht langfristig aufrechterhalten werden, so dass Fibrinkleber weiterhin die Spitzengruppe in Sachen Langzeitadhäsion bilden. Da PEG eine ausgezeichnete Biokompatibilität, einfache Anwendbarkeit und zahlreiche weitere chemische Anpassungsmöglichkeiten zur Feinabstimmung der Degradationseigenschaften bietet, ist in Zukunft ein erfolgreicher Einsatz auch im Bereich von Gelenkknorpel denkbar. Für die experimentelle Untersuchung von Adhäsiva und Gelenkknorpel werden biomechanische Versuchsmodelle benötigt. Der Tensile-Test des Sandwich-Modells konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich etabliert und ein Protokoll festgelegt werden. In einem vergleichenden Versuch mit dem Push-Out-Test des Disc-Ring-Modells, welches als Referenzmodell dient, konnte in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und Qualität der Messergebnisse die Gleichwertigkeit gezeigt werden. Insgesamt bietet er eine gute Alternative zum Push-Out-Test, um weiterführende Fragestellung, wie z.B. extrinsische Kraftwirkungen auf das Konstrukt, zu untersuchen.…
• Articular cartilage has little potential for self-healing due to its avascular nature and the lack of mitotic activity of chondrocytes in case of damage. Traumatic injuries and degenerative changes lead to the development of osteoarthritis, which is characterized by the destruction of articular cartilage. A more recent therapeutic approach is tissue engineering of articular cartilage, but the lateral integration of implants with native cartilage tissue remains problematic. An adhesive can promote long-term integration in addition to adequateArticular cartilage has little potential for self-healing due to its avascular nature and the lack of mitotic activity of chondrocytes in case of damage. Traumatic injuries and degenerative changes lead to the development of osteoarthritis, which is characterized by the destruction of articular cartilage. A more recent therapeutic approach is tissue engineering of articular cartilage, but the lateral integration of implants with native cartilage tissue remains problematic. An adhesive can promote long-term integration in addition to adequate immediate adhesion. In this thesis, various polyethylene glycol (PEG)-based two-component adhesives, derived from the commercially available tissue adhesive CoSeal™, were investigated for their suitability for articular cartilage. Hyaluronic acid (HA), a physiological component of articular cartilage, was used as a component in its thiolated form (HA-SH) and examined for its pro-integrative properties. Despite its high immediate adhesive strength, the 4-succinimidyl-glutarate/4-thiol-PEG (4SG/4T-PEG) adhesive, whose components correspond to the CoSeal™ components, showed rapid degradation in a liquid environment even after substituting the 4T-PEG-component with HA-SH, which hindered sufficient long-term integration. By using the slower degrading functional 4-succinimidyl-carbonate-PEG (4C-PEG) component, the long-term adhesive strength was significantly increased in combination with 4-amine-PEG (4A-PEG) due to the resulting more stable amide bond an in combination with HA-SH. Immunohistochemical analysis showed signs of cartilage integration for both HA-containing adhesives, while the 4C/4A-PEG-adhesive showed no signs of integration. In the 3-(4,5-dimethylthiazole-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay, none of the adhesives exhibited cytotoxic effects. Overall, the investigated PEG-based adhesives offer a significantly higher immediate adhesive strength compared to the widely used fibrin glues, which is comparable to glutaraldehyde-based adhesives. However, despite histologically detectable signs of integration when HA was incorporated, the initial adhesive forces cannot be maintained in the long term, so fibrin glue continues to be at the forefront in terms of long-term adhesion. Since PEG offers excellent biocompatibility, easy applicability, and numerous other chemical customization options for fine-tuning degradation properties, successful use in the field of articular cartilage is conceivable in the future. For the experimental investigation of adhesives and articular cartilage, biomechanical test models are required. The tensile test of the sandwich model including a corresponding protocol was successfully established in this thesis. In a comparative experiment with the push-out test of the disc-ring model, which serves as a reference model, equivalence was demonstrated in terms of reproducibility and quality of test results. Overall, it provides a good alternative to the push-out test for investigating further questions, such as extrinsic force effects on the construct.…