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Implants elicit an immunological response after implantation that results in the worst case in a complete implant rejection. This biomaterial-induced inflammation is modulated by macrophages and can be influenced by nanotopographical surface structures such as titania nanotubes or fractal titanium nitride (TiN) surfaces. However, their specific impact on a distinct macrophage phenotype has not been identified. By using two different levels of nanostructures and smooth samples as controls, the influence of tubular TiO2 and fractal TiN nanostructures on primary human macrophages with M1 or M2-phenotype was investigated. Therefore, nanotopographical coatings were either, directly generated by physical vapor deposition (PVD) or by electrochemical anodization of titanium PVD coatings. The cellular response of macrophages was quantitatively assessed to demonstrate a difference in biocompatibility of nanotubes in respect to human M1 and M2-macrophages. Depending on the tube diameter of the nanotubular surfaces, low cell numbers and impaired cellular activity, was detected for M2-macrophages, whereas the impact of nanotubes on M1-polarized macrophages was negligible. Importantly, we could confirm this phenotypic response on the fractal TiN surfaces. The results indicate that the investigated topographies specifically impact the macrophage M2-subtype that modulates the formation of the fibrotic capsule and the long-term response to an implant.
Pacemaker systems are an essential tool for the treatment of cardiovascular diseases. However, the immune system’s natural response to a foreign body results in the encapsulation of a pacemaker electrode and an impaired energy efficiency by increasing the excitation threshold. The integration of the electrode into the tissue is affected by implant properties such as size, mechanical flexibility, shape, and dimensionality. Three-dimensional, tissue-like electrode scaffolds render an alternative to currently used planar metal electrodes. Based on a modified electrospinning process and a high temperature treatment, a conductive, porous fiber scaffold was fabricated. The electrical and immunological properties of this 3D electrode were compared to 2D TiN electrodes. An increased surface of the fiber electrode compared to the planar 2D electrode, showed an enhanced electrical performance. Moreover, the migration of cells into the 3D construct was observed and a lower inflammatory response was induced. After early and late in vivo host response evaluation subcutaneously, the 3D fiber scaffold showed no adverse foreign body response. By embedding the 3D fiber scaffold in human cardiomyocytes, a tissue-electrode hybrid was generated that facilitates a high regenerative capacity and a low risk of fibrosis. This hybrid was implanted onto a spontaneously beating, tissue-engineered human cardiac patch to investigate if a seamless electronic-tissue interface is generated. The fusion of this hybrid electrode with a cardiac patch resulted in a mechanical stable and electrical excitable unit. Thereby, the feasibility of a seamless tissue-electrode interface was proven.
Despite growing effort to advance materials towards a low fibrotic progression, all implants elicit adverse tissue responses. Pre-clinical biomaterial assessment relies on animals testing, which can be complemented by in vitro tests to address the Russell and Burch’s 3R aspect of reducing animal burden. However, a poor correlation between in vitro and in vivo biomaterial assessments confirms a need for suitable in vitro biomaterial tests. The aim of the study was to identify a test setting, which is predictive and might be time- and cost-efficient. We demonstrated how sensitive in vitro biomaterial assessment based on human primary macrophages depends on test conditions. Moreover, possible clinical scenarios such as lipopolysaccharide contamination, contact to autologous blood plasma, and presence of IL-4 in an immune niche influence the outcome of a biomaterial ranking. Nevertheless, by using glass, titanium, polytetrafluorethylene, silicone, and polyethylene representing a specific material-induced fibrotic response and by comparison to literature data, we were able to identify a test condition that provides a high correlation to state-of-the-art in vivo studies. Most important, biomaterial ranking obtained under native plasma test conditions showed a high predictive accuracy compared to in vivo assessments, strengthening a biomimetic three-dimensional in vitro test platform.
Die Implantation eines Medizinprodukts in den menschlichen Körper ruft eine Immunreaktion hervor, die zur fibrösen Einkapselung führen kann. Makrophagen in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Implantats erfassen sensorisch den Fremdkörper und übersetzten das Signal in die Freisetzung zahlreicher löslicher Mediatoren. Das generierte Entzündungsmilieu moduliert die Heilungsreaktion und kann zur Anreicherung von Fibroblasten sowie zur Erhöhung der Matrixsyntheserate in der Wundumgebung führen. Eine dichte fibröse Kapsel um ein Medizinprodukt beeinträchtigt den Ersatz von Körperstrukturen, das Unterstützen physiologischer Körperfunktionen sowie die Effizienz einer medizinischen Therapie. Zur Identifizierung potenzieller Biomaterialkandidaten mit optimalen Eigenschaften ist jedoch eine evidenzbasierte Entscheidungsfindung notwendig und diese wiederum muss durch geeignete Testmethoden unterstützt werden.
Zur Erfassung lokaler Effekte nach Implantation eines Biomaterials begründet die Komplexi-tät der ablaufenden Fremdkörperreaktion die Anwendung von Tiermodellen als Goldstandard. Die Eingliederung von in vitro Modellsystemen in standardisierte Testverfahren scheitert oft an der Verfügbarkeit validierter, verlässlicher und reproduzierbarer Methoden. Demnach ist kein standardisiertes in vitro Testverfahren beschrieben, das die komplexen dreidimensionalen Gewebsstrukturen während einer Fremdkörperreaktion abbildet und sich zur Testung über längere Kontaktphasen zwischen Blutkomponenten und Biomaterialien eignet. Jedoch können in vitro Testungen kosten- und zeiteffizienter sein und durch die Anwendung humaner Zellen eine höhere Übertragbarkeit auf den Menschen aufweisen. Zusätzlich adressiert die Präferenz zu in vitro Testmethoden den Aspekt „Reduzierung“ der 3R-Prinzipien „Replacement, Reduction, Refinement“ (Ersatz, Reduzierung, Verbesserung) von Russel und Burch (1959) zu einer bewussten und begründeten Anwendung von Tiermodellen in der Wissenschaft. Ziel von diesem Forschungsvorhaben war die Entwicklung von humanen in vitro Modellsystemen, die den Kontakt zu Blutkomponenten sowie die Reaktion des umliegenden Bindegewebes bei lokaler Implantation eines Biomaterials abbilden. Referenzmaterialien, deren Gewebsantwort nach Implantation in Tiere oder den Menschen bekannt ist, dienten als Validierungskriterium für die entwickelten Modellsysteme. Die Anreicherung von Zellen sowie die Bildung extrazellulärer Matrix in der Wundumgebung stellen wichtige Teilprozesse während einer Fremdkörperreaktion dar. Für beide Teilprozesse konnte in einem indirekten zellbasierten Modellsystem der Einfluss einer zellvermittelten Konditionierung wie die Freisetzung von löslichen Mediatoren durch materialadhärente Makrophagen auf die gerichtete Wanderung von Fibroblasten sowie den Umbau eines dreidimensionalen Bindegewebsmodells aufgezeigt werden.
Des Weiteren ließ sich das Freisetzungsprofil von Zytokinen durch materialständige Makrophagen unter verschiedenen Testbedingungen wie der Kontamination mit LPS, der Oberflächenbehandlung mit humanem Blutplasma und der Gegenwart von IL-4 bestimmen. Die anschließende vergleichende statistische Modellierung der generierten komplexen multifaktoriellen Datenmatrix ermöglichte die Übersetzung in eine Biomaterialbewertung. Dieses entwickelte Testverfahren eignete sich einerseits zur Validierung von in vitro Testbedingungen sowie andererseits zur Bewertung von Biomaterialien. Darüber hinaus konnte in einem dreidimensionalen Fremdkörpermodell die komplexe dreidimensionale Struktur der extrazellulären Matrix in einer Wunde durch die Kombination unterschiedlicher Zell- und Matrixkomponenten biomimetisch nachgebaut werden. Diese neuartigen dreidimensionalen Fremdkörpermodelle ermöglichten die Testung von Biomaterialien über längere Testphasen und können in anschließenden Studien angewandt werden, um dynamische Prozesse zu untersuchen. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit drei unterschiedliche Teststrategien entwickelt werden, die (I) die Bewertung von Teilprozessen ermöglichen, (II) die Identifizierung verlässlicher Testbedingungen unterstützen und (III) biomimetisch ein Wundgewebe abbilden. Wesentlich ist, dass biomimetisch ein dreidimensionales Gewebemodell entwickelt werden konnte, das eine verlässliche Unterscheidungskapazität zwischen Biomaterialien aufweist.
Surgical implantation of a biomaterial triggers foreign-body-induced fibrous encapsulation. Two major mechanisms of this complex physiological process are (I) chemotaxis of fibroblasts from surrounding tissue to the implant region, followed by (II) tissue remodeling. As an alternative to animal studies, we here propose a process-aligned \({in}\) \({vitro}\) test platform to investigate the material dependency of fibroblast chemotaxis and tissue remodeling mediated by material-resident macrophages.
Embedded in a biomimetic three-dimensional collagen hydrogel, chemotaxis of fibroblasts in the direction of macrophage-material-conditioned cell culture supernatant was analyzed by live cell imaging. A combination of statistical analysis with a complementary parameterized random walk model allowed quantitative and qualitative characterization of the cellular walk process. We thereby identified an increasing macrophage-mediated chemotactic potential ranking of biomaterials from glass over polytetrafluorethylene to titanium. To address long-term effects of biomaterial-resident macrophages on fibroblasts in a three-dimensional microenvironment, we further studied tissue remodeling by applying macrophage-material-conditioned medium on fibrous \({in}\) \({vitro}\) tissue models. A high correlation of the \({in}\) \({vitro}\) tissue model to state of the art \({in}\) \({vivo}\) study data was found. Titanium exhibited a significantly lower tissue remodeling capacity compared to polytetrafluorethylene. With this approach, we identified a material dependency of both chemotaxis and tissue remodeling processes, strengthening knowledge on their specific contribution to the foreign body reaction.