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Modifikation von Titanoberflächen mittels elektrochemischer Abscheidung von Magnesiumphosphaten
(2013)
In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die experimentellen Parameter für eine erfolgreiche elektrochemische Abscheidung sowohl von Struvit (MgNH4PO4 • 6H2O) als auch Newberyit (MgHPO4 • 3H2O) auf durch Sandstrahlen aufgeraute Titanproben zu ermitteln. Welche der beiden Phasen auf den Titanoberflächen abgeschieden wurde, hing dabei hauptsächlich von der jeweiligen Elektrolytzusammensetzung ab. Bei der Elektrodeposition selbst erwiesen sich eine Elektrolyttemperatur von 50 °C und Stromdichten von etwa 79 – 105 mA/cm2 als optimal, um geschlossene Schichten von hinreichender Dicke reproduzierbar herzustellen. Es zeigte sich, dass die für die jeweiligen Abscheidungsprodukte optimierten Parameter (79 mA/cm2 für Struvit und 105,3 mA/cm2 für Newberyit) zu deutlich unterschiedlichen Massenabscheidungen (4,4 mg/cm2 für Struvit und 0,6 mg/cm2 für Newberyit bei einer Beschichtungsdauer von 15 min) führten. Das Monohydrat Dittmarit (MgNH4PO4 • H2O) ließ sich nicht direkt abscheiden, konnte aber durch Dampfsterilisation von zuvor erzeugten Struvitschichten in einem Autoklaven erzeugt werden.
Um das Verhalten der Oberflächenmodifikationen in einer in-vivo-Umgebung zu simulieren, wurden die Beschichtungen für eine maximale Dauer von 14 Tagen in Simulated Body Fluid (SBF), Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) und in fötalem Kälberserum (FCS) eingelagert. In bestimmten Zeitabständen wurden eingelagerte Proben ihrem Medium entnommen, getrocknet und die Schichten mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie und der Rasterelektronen-mikroskopie hinsichtlich ihrer kristallographischen und morphologischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei zeigten die drei Magnesiumphosphate jeweils unterschiedliches Degradationsverhalten in den verschiedenen Einlagerungsmedien. Struvit wandelte sich nach 14 Tagen in DMEM teilweise, in FCS größtenteils und in SBF vollständig zu Bobierrit (Mg3(PO4)2 • 8H2O) um. Ein ähnliches Verhalten zeigte sich bei Dittmarit, allerdings kam es hier in allen Medien zur Bildung einer weiteren Phase (Tri-Magnesium-Di-Phosphat-5-Hydrat, Mg3(PO4)2 • 5H2O), in FCS bildete sich zusätzlich noch Di-Magnesiumphosphathydroxid-4-Hydrat (Mg2PO4OH • 4H2O). Die Newberyit-Schichten hingegen zeigten keinerlei Phasenumwandlungen, lösten sich aber in den Einlagerungsversuchen teilweise auf.
Diese Ergebnisse zeigen, dass elektrochemisch erzeugte Beschichtungen auf Magnesiumphosphatbasis durchaus vielversprechend im Hinblick auf die funktionelle Modifikation metallischer Implantatoberflächen sind. Neben den literaturbekannten positiven Eigenschaften der Magnesiumphosphate (gute Zytokompatibilität, hohe Löslichkeit und mechanische Festigkeit) ist für zukünftige Forschungen vor allem das in dieser Arbeit untersuchte Degradationsverhalten von Interesse. Die in fast allen untersuchten Kombinationen aus Schichtmodifikation und Einlagerungsmedium auftretenden Phasenumwandlungen weisen auf durch die physiologische Umgebung hervorgerufene Resorptionsprozesse hin, die wiederum in vivo die Osteointegration des Implantats unterstützen könnten.
Ein weiterer Aspekt zukünftiger Untersuchungen ist die mögliche Beladung der biokompatiblen Schichten mit bioaktiven Substanzen (antibakterielle oder osteointegrative Wirkstoffe sowie Metallionen zur Unterstützung bzw. Steuerung biologischer Prozesse im implantatnahen Bereich). Hier könnten die unterschiedlichen Degradationsmechanismen der verschiedenen untersuchten Magnesiumphosphat-Modifikationen die Grundlage für kontrollierte und maßgeschneiderte Freisetzungskinetiken liefern.
Das Ziel der experimentellen Studie war die Erprobung der (bereits in vitro erfolgreich getesteten) Ca(OH)2-Beschichtung In vivo unter dem Aspekt, ob und inwieweit die antibakteriellen und somit auch antiinflammatorischen bzw. entzündungsmoderierenden Eigenschaften der Ca(OH)2-Beschichtung eine sinnvolle und effektive Ergänzung zu den bisher erfolgreich eingesetzten Calciumphosphat(CaP)-Beschichtungen mit bewiesenen, guten proosseointegrativen Eigenschaften bei lasttragenden Implantaten sein können.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Ergebnisse der In vitro Untersuchung durch die In vivo Versuche in den Bereichen 0-100 KBE grundsätzlich als gestützt gelten können. Die Zuverlässigkeit der Wirkung durch Ca(OH)2 nimmt jedoch mit steigender KBE-Zahl ab, sodass weitere Testreihen sinnvoll sind.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Funktionalisierung von Titanoberflächen mit dem Glycosaminoglycan Heparin, um bei Kontakt des Werkstoffs mit Blut die Gerinnungskaskade nicht auszulösen und das Material für Stents (Gefäßstützen) im arteriellen System einsetzbar zu machen. Für die Modifizierungen wurden als Modell der oxidierten Titanoberfläche sowohl oxidierte cp-Titanplättchen als auch TiO2-Pulver verwendet. Heparin kam zum Einsatz, da es sowohl die Hämostase (Blutgerinnung) als auch die Proliferation (Überwucherung) mit glatten Muskelzellen unterdrückt und somit eine Restenose (Wiederverengung) des in die verengte Arterie eingebrachten Stents verhindert. Die kovalente Immobilisierung des Wirkstoffs erfolgte über bifunktionale Spacer (Haftvermittlermoleküle). Spacer waren 3-(Trimethoxysilyl)-propylamin (APMS), N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan (Diamino-APMS) und N1-[3-(Trimethoxysilyl)-propyl]diethylen¬triamin (Triamino-APMS). Der qualitative und quantitative Nachweis der Funktionalisierung von TiO2 mit Haftvermittler bzw. Heparin erfolgte durch schwingungsspektroskopische Methoden, komplexometrische Farbreaktionen sowie der Bestimmung des Zetapotentials im Elektrolytkontakt. Durch die Anbindung von APMS, Di- und Triamino-APMS stieg das Zetapotential von ca. -26 mV auf positive Werte zwischen +41 und +45 mV. Ein Absinken des Zetapotentials belegte die erfolgreiche Anbindung von Heparin (Werte zwischen -39 und -37 mV) an die verschiedenen Haftvermittler, ebenso wie das Vorhandensein der symmetrischen SO3-Valenzschwingung bei 1040 cm-1. Der quantitative Nachweis der immobilisierten Aminogruppen über die Ninhydrinreaktion ergab für die TiO2-Pulver Werte zwischen 17-20 NH2/nm2, wobei die dichteste Funktionalisierung mit APMS und die niedrigste mit Triamino-APMS erzielt werden konnte. Alle Werte lagen im Bereich von Multilayern, da ein Monolayer aus ca. 2 3 NH2/nm2 besteht. Die immobilisierte Menge an Heparin war bei Verwendung von APMS am größten (53.3±3.6 ng/cm2) und bei Triamino-APMS am geringsten (32.1±5.7 ng/cm2). Die biologische Wirksamkeit des gebundenen Heparins wurde über das chromogene Substrat ChromozymTH® bestimmt und verblieb bei Anbindung an den Spacer mit der größten Moleküllänge (Triamino-APMS) mit ca. 70% am wirksamsten. Neben der kovalenten Anbindung des Wirkstoffs an Spacer zielte diese Arbeit auf die Entwicklung von organisch modifizierten, porösen SiO2-Wirkstoffdepots (P-MA-PS; Poly-methacryl¬oxy¬propylpolysilsesquioxane) für Heparin ab, die sowohl als Volumenwerkstoffe als auch zur Modifikation von Titan(dioxid)oberflächen anwendbar wären. Die Matrices wurden ausgehend von MAS (Methacryl¬oxypropyl¬trimethoxysilan) über den Sol-Gel Prozeß anorganisch und anschließend über photochemische Polymerisation zusätzlich organisch vernetzt. Die Quantifizierung des Polymerisationsgrads erfolgte über die Signalintensität der methacrylischen C=C-Doppelbindung bei 1635 cm-1 durch Integration einer Gauß-Funktion. Über den Polymerisationsgrad der organischen Matrix zwischen 0-71% konnte die Freisetzungskinetik von Heparin je nach therapeutischer Anforderung eingestellt werden. Es konnte gezeigt werden, daß hohe Wirkstoff-Beladungen und niedrige Polymerisationsgrade mit einer schnelleren Freisetzung des Heparins korrelierten, die aufgrund der Endlichkeit des Wirkstoffs im Depot einer Kinetik 1. Ordnung unterlag. Die kumulativ freigesetzten Wirkstoffmengen verhielten sich hierbei proportional zur Wurzel aus der Freisetzungszeit, was dem Higuchi-Modell zur Wirkstofffreisetzung aus porösen Matrices mit einem rein Diffusions-kontrollierten Mechanismus entsprach. Die durch Hydrolyse bedingte Degradation der anorganischen Matrix, die UV-VIS-spektroskopisch bei λ = 220 nm gemessen wurde, folgte einer Kinetik pseudo-0. Ordnung. Da das freigesetzte Heparin seine biologische Wirksamkeit beibehielt, sind P-MA-PS Matrices interessant für klinische Anwendungen, wie z.B. für die Beschichtung von Gefäßstützen, die im Blutkontakt stehen.
Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Strahlgut auf das Wachstumsverhalten von Kulturzellen auf einer Titanbasis zu untersuchen. Hierfür wurden mit Hilfe von standardisierten Untersuchungsmethoden die Aktivität und die Vermehrung der Zellen verzeichnet. Auch eine Proteinbestimmung wurde an den Zelllinien durchgeführt. Im Vergleich wurden die humane Fibroblastenzelllinie 84-9, die murine Fibroblastenzelllinie L-929 und die humane Osteoblastenzelllinie MG-63 herangezogen. Untersucht wurden vier verschiedene Prüfkörper: Reintitan, Titan mit Korund gestrahlt, Titan mit Hydroxylapatit-beschichtetem Korund gestrahlt und Titan mit Titanoxid-beschichtetem Korund gestrahlt.
Die Notwendigkeit einer operativen Versorgung von Glenoidrandfrakturen des Typs I nach Ideberg bzw. knöcherner Bankartfrakturen wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Implantat bedingte Langzeitversager und Spätkomplikationen nach operativer Behandlung stehen im Gegensatz zu wiederholten Rezidivluxationen und Deformierungen der Glenoidoberfläche mit der Gefahr von Spätarthrosen nach konservativer Therapie. In einer retrospektiven klinischen Studie wurden 32 Patienten, darunter neun Frauen (26,5%) und 25 Männer (73,5%), mit einem Durchschnittsalter von 39,7 Jahren (16-77) nach einem mittleren Zeitraum von 42 Monaten (8-121) radiologisch und klinisch im Constant- (CS) und Rowe-Score (RS) sowie mittels Simple-Shoulder-Test nachuntersucht. Sämtliche Patienten berichteten über ein initial traumatisches Luxationsereignis mit nachfolgenden Rezidivluxationen unterschiedlicher Häufigkeit. Die Indikation für die operative Versorgung mittels kanülierter Titanschrauben nach Resch umfasste große, dislozierte Glenoidrandfrakturen mit einer Beteiligung von mindestens 15% des Gelenkflächendurchmessers. Neben der Darstellung der Gesamtergebnisse im Kollektiv wurden mehrere Gruppen unterschieden: eine Untergruppe ohne schwerwiegende Begleitverletzungen (RM-(teil)-Ruptur oder Tuberculum majus-Fraktur, n=16, Gruppe 1A) und eine Untergruppe, bei welcher diese Begleitverletzungen vorlagen (n=16, Gruppe 1B). Eine weitere Unterscheidung erfolgte hinsichtlich des Lebensalters zum Zeitpunkt der Operation: Alter < 40 Jahre (n=19, Gruppe 2A) und Alter > 40 Jahre (n=13, Gruppe 2B). In keinem Fall traten Komplikationen durch die eingebrachten Schrauben auf. In einem Fall war eine Osteolyse des Fragmentes ohne Einfluss auf das funktionelle Ergebnis zu beobachten. Reluxationen oder erneute Operationen waren im gesamten Kollektiv nicht zu verzeichnen. Sämtliche Patienten konnten wieder zu ihrer ursprünglichen Arbeitstätigkeit zurückkehren und äußerten sich zufrieden mit dem Operationsergebnis. Die Score-Mittelwerte im Gesamtkollektiv zeigten mit 82 Punkten (CS) und mit 85 Punkten (RS) gute, mit 92,3% (korrigierter CS) sogar sehr gute Ergebnisse, obwohl diese Werte immer noch signifikant unter denen der nicht operierten Gegenseite lagen. Die Begleitverletzungen wirkten sich unter Berücksichtigung des höheren Lebensalters in Gruppe 1B gegenüber Gruppe 1A (44 Jahre vs. 36 Jahre) signifikant auf das funktionelle Ergebnis aus: diejenigen Patienten, welche eine Rotatorenmanschetten-Läsion oder eine Fraktur des Tuberculum maius aufwiesen, zeigten im Rowe-Score sowie im Simple-Shoulder-Test signifikant niedrigere und im Constant-Score tendenziell niedrigere Werte als diejenigen ohne die genannten Begleitverletzungen. Auch die angenommene Korrelation von Lebensalter und funktionellem Ergebnis konnte für das vorliegende Patientengut bestätigt werden. Das jüngere Teilkollektiv wies in Rowe-Score, Constant-Score und Simple-Shoulder-Test signifikant höhere Durchschnittswerte auf als das ältere. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Lebensalter und der Häufigkeit bestimmter Begleitverletzungen wird angenommen, kann aber anhand des vorliegenden Patientenkollektives statistisch nicht bestätigt werden. Glenoidrandfrakturen treten insbesondere nach Schulterluxationen im mittleren Lebensalter auf und sind häufig mit schwerwiegenden Begleitverletzungen assoziiert. Die Versorgung mittels kanülierter Minischrauben nach Resch erwies sich in unseren Augen als komplikationsarmes Verfahren mit guten bis sehr guten mittelfristigen Ergebnissen und stellt somit eine Erfolg versprechende Therapieoption dar.
Die Induktion von Autoimmunerkrankungen als systemische Wirkung wurde in den 1990iger Jahren nach vorangegangenem jahrzehntelangem Gebrauch den Silikonen ohne wissenschaftlichen Nachweis unterstellt. Dies zeigt, wie wichtig es ist, dass relativ neue (bioresorbierbare) Materialien auch systemisch gut charakterisiert werden. Zylinder (2,8 x 1,1 mm) und zerkleinerte Materialproben mit gleicher Masse (in Gelatinekapseln abgefüllt) aus a.) kommerziell reinem (cp) Titan, b.) Polymethyl-Methacrylat (PMMA) und c.) niedrig molekularem, amorphem Poly(L-Lactid) (Molekulargewicht Mvis: 120 000) wurden in das linke Femur von jeweils 25 spezifiziert pathogenfreien (SPF) Sprague Dawley-Ratten implantiert. Zwei weitere Gruppen von je 25 Tieren dienten als schein- operierte und unoperierte Kontrollgruppen. Geplant war eine Implantationszeit von bis zu 24 Monaten. Durch Übertragung von Keimen aus der Cara-Ratten-Zucht der Abteilung für Experimentelle Zahnmedizin der Zahn-, Mund- und Kieferklinik der Universität Würzburg entwickelte sich eine epidemische Pneumonie mit Mycoplasma pulmonis, superinfiziert mit Pasteurella pneumotropica. Deshalb musste aus tierschutzrechtlichen ethischen Gründen der Implantationsversuch nach neun Monaten terminiert werden. Alle Tiere wurden makroskopisch obduziert sowie Organpakete mit Lungen, Herz, Trachea und Bronchien, Thymus und Halslymphknoten, Mamma, Leber, Milz, Pankreas, Nieren und Gonaden entnommen und zur mikroskopischen Untersuchung in 5 %iger Formaldehyd-Lösung fixiert. Die histopathologische Auswertung konnte in keiner Gruppe Hinweise auf systemische Wirkungen der verwendeten Implantate identfizieren. Neue Biomaterialien sollten immer in geeigneten (eventuell langlebigeren) Versuchstiermodellen auch auf systemische Fernwirkungen hin untersucht werden.