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Zelluläre Resorption 3D-gedruckter Knochenimplantate auf Basis von Calciummagnesiumphosphaten
(2023)
Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen.
Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen.
Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert.
Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation.
Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden.
Der steigende Bedarf an Knochenersatzmaterialien (KEM) in Medizin und Zahnmedizin verdeutlicht die Notwendigkeit der Etablierung weiterer alloplastischer, also synthetisch hergestellter, KEMs. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Implantate. Hierfür wird auf Basis von 3D Bildgebung eines Knochendefekts, ein Implantat mittels CAD geplant und anschließend mittels additiver Fertigung, zum Beispiel durch 3D Pulverdruck hergestellt.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des osteogenen Potentials in vitro von Calciummagnesiumphosphatkeramiken mit der allgemeinen Strukturformel CaxMg(3-x)(PO4)2 mit x = 0; 0,25; 0,75; 1,5; 3 aus additiver Fertigung. Hierfür wurden Prüfkörper mittels 3D Pulverdruck gedruckt, anschließend durch Hochtemperatursinterung verfestigt und durch Behandlung mit reaktiven Lösungen nachgehärtet. Abhängig von der reaktiven Lösung wandelte sich die Keramik teilweise in Struvit, Bruschit und Newberyit um. Die biologische Testung in vitro erfolgte mit hFOB 1.19 Zellen und ergab eine gute Biokompatibilität sowie die Ausdifferenzierung osteogener Progenitorzellen für fast alle Keramikphasen, wobei die newberyithaltigen Keramiken tendenziell bessere Ergebnisse erzielten.
Elektrochemisch gestützte Abscheidung kupfer- und zinkdotierter Magnesiumphosphatschichten auf Titan
(2020)
Zur Entwicklung von Implantaten, welche eine komplikationsärmere Einheilung aufweisen, wurde eine dünne, homogene Beschichtung von Titanprobenkörpern mit Struvit mithilfe elektrochemischer Abscheidung generiert. Hierbei wurden dem Basiselektrolyt in den Versuchsreihen unterschiedliche Konzentrationen an Kupfer-(II)-nitrat-3-hydrat- und/oder Zinknitrat-6-hydratlösung hinzugefügt. Die experimentelle Freisetzung erfolgte in drei unterschiedlichen physiologischen Nährmedien: simulated body fluid (SBF), fetal calf serum (FCS) und Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM). Es konnte gezeigt werden, dass eine antibakteriell wirkende Menge an Kupfer- und Zinkionen freigesetzt wurde. Zusammenfassend stellt die elektrochemische Abscheidung von mit Kupfer- und Zink-dotierten Struvit auf Titanoberflächen einen vielversprechenden Ansatz in der Implantologie hinsichtlich der Einheilzeit im Knochen sowie der Risikominimierung des Verlustes dar.
Bei der Implantatversorgung von Patienten mit Osteoporose besteht weiterhin eine hohe Komplikationsrate vor allem durch aseptische Prothesenlockerungen. Eine vielversprechende Möglichkeit diese zu minimieren stellt eine Funktionalisierung der Implantate mit Strontium dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es dabei die Wirkung lokal verfügbaren Strontiums auf osteoklastäre und osteoblastäre Zellen zu untersuchen.
Mittels elektrochemischer Abscheidung erfolgte die Beschichtung von Titanproben mit strontiumdotiertem Struvit, wobei sieben verschiedene Dotierkonzentrationen zwischen 6 µg und 487 µg Strontium pro Probe hergestellt wurden. Die Untersuchungen an osteoklastären RAW 264.7 Zellen erfolgten mittels Bestimmung von Zellzahl und -aktivität, verschiedener mikroskopischer Methoden sowie auf genetischer Ebene. Osteoblastäre MG63-Zellen wurden orientierend anhand von Zellzahl und Zellaktivität untersucht.
Zellbiologisch konnte ein hemmender Einfluss von Strontium auf Differenzierung sowie Proliferation und Aktivität osteoklastärer Zellen gezeigt werden. Die Dotierkonzentration mit den günstigsten Eigenschaften war unter vorliegenden Versuchsbedingungen 487 µg Strontium pro Probe, da sich hierbei zudem eine erhaltene ostoblastäre Proliferation und Aktivität zeigte.
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.
In der vorliegenden Arbeit wurden erstmals im 3D-Pulerdruckverfahren hergestellte Struvit-Matrizes auf ihre Eignung als Trägermaterial für Knochenzellen in vitro untersucht. Hierzu wurde die Zytokompatibilität sowie die chemische Löslichkeit von gedruckten Struvit-Strukturen betrachtet. In einem zweiten Schritt wurde untersucht, ob die biologische Funktion von BMP-2-Lösungen nach Durchlaufen des Druckprozesses erhalten bleibt und ob es möglich ist, BMP-2 unter Beibehaltung seiner biologischen Wirksamkeit direkt in Struvit-Matrizes zu drucken. Als Reaktanten zur Herstellung der Struvit-Matrizes wurde modifiziertes Farringtonit-Pulver mit definierter Körnung und eine äquimolare Binder-Lösung aus DAHP und ADHP verwendet. Die untersuchten Zellkulturträger mit Magnesiumammoniumphosphatchemie zeigten eine ausreichende Zytokompatibilität in vitro. Außerdem wurde gezeigt, dass thermolabile Proteine wie BMP-2 im 3D-Pulverdruckverfahren unter weitgehender Beibehaltung ihrer biologischen Wirksamkeit in vitro grundsätzlich prozessierbar sind. Die Freisetzung direkt eingedruckter Proteine aus den Struvit-Matrizes blieb jedoch hinter den Erwartungen zurück. Mit Struvit steht ein alternatives Zementsystem für den 3D-Pulverdruck zur Verfügung, welches spezifische Vorteile gegenüber den etablierten Calciumphosphaten bietet. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ursache für die geringe BMP-Freisetzung aus den Struvit-Matrizes zu ermitteln und die Vorteile der neutralen Abbindereaktion voll nutzen zu können.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die grundsätzliche Eignung von verschiedenen Magne-siumammoniumphosphat-Zementen für den eventuellen späteren Einsatz beim Men-schen zu bewerten; dafür wurden diverse in vitro Versuchsreihen zur Prüfung der Biokompatibilität dieser Verbindungen durchgeführt. Als Referenz diente bei diesen Versuchsreihen ein beim Menschen bereits erfolgreich eingesetzter nanokristalliner, kalziumarmer Hydroxylapatit-Zement. Für diese Biokompatibilitätsprüfungen wurde auf den verschiedenen Testoberflä-chen (Mg0,75Ca2,25(PO4)2 –, Mg1,5Ca1,5(PO4)2 –, Mg2,25Ca0,75(PO4)2 –, Mg3(PO4)2 –, Ca3(PO4)2–Zement) eine jeweils definierte Menge an humanen Osteoblasten der Zelllinie MG-63 aufgebracht und diese Zellen wurden danach über einen 14-tägigen Zeitraum kultiviert. Die Biokompatibilitätsüberprüfungen erfolgten mittels bestimmten Zellproliferations- und Zellaktivitätsmessungen; anhand der ermittelten Ergebnisse hinsichtlich Zellzahl und Zellaktivität sollte danach die Eignung dieser neuartigen Magnesiumammoniumphosphat-Zemente zur Verwendung im menschlichen Körper beurteilt werden. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden die jeweiligen Oberflächenstrukturen der einzelnen Zemente genauer untersucht; außer-dem konnte mit diesen Fotografien das Wachstum und die zelluläre Morphologie von humanen Osteoblasten auf den unterschiedlichen Oberflächen analysiert werden. Bei der Auswertung des Zellwachstums wurden die jeweils höchsten Werte in beiden Versuchsreihen auf dem Hydroxylapatit-Zement gemessen; bei den vier Magnesi-umammoniumphosphat-Zementen waren dagegen weitaus geringere Zellprolifera-tionsvorgänge innerhalb der Versuchsreihen zu beobachten. Auch bei der gesamten mitochondrialen Zellaktivität aller Osteoblasten erreichte der Hydroxylapatit-Zement in beiden Versuchen den maximalen Wert; der Unterschied zu den Werten bei den Magnesiumammoniumphosphat-Zementen war hier allerdings deutlich geringer als bei der Gesamtzellzahl. Vor allem beim Mg3(PO4)2 -Zement konnten in beiden Ver-suchen fast ähnlich hohe Werte beobachtet werden wie beim Hydroxylapatit-Zement. Untersuchte man dagegen die mitochondriale Aktivität der jeweiligen Einzelzelle auf den Oberflächen, unabhängig vom Gesamtwachstum, so konnte für den Hydroxyl-apatit-Zement die niedrigste Aktivität nachgewiesen werden. Die höchste mitochon-driale Einzelzellaktivität hatten in beiden Versuchsreihen die Osteoblasten auf dem Mg3(PO4)2 –Zement; auch die anderen Magnesiumammoniumphosphat-Verbindun-gen konnten trotz des insgesamt geringen Zellwachstums auf diesen Oberflächen re-lativ hohe Werte bei der Einzelzellaktivität erreichen. Insgesamt betrachtet war somit das Zellwachstum auf dem Hydroxylapatit-Zement signifikant stärker ausgebildet als auf allen Magnesiumammoniumphosphat-Verbin-dungen; trotz des im Vergleich geringen Zellwachstums konnte auf den Magnesium-ammoniumphosphat-Zementen aber ein hohes Maß an mitochondrialer Zellaktivität festgestellt werden. Die Auswertung der Oberflächenstruktur der verschiedenen Zemente mittels raster-elektronenmikroskopischer Bilder ergab für den Hydroxylapatit-Zement eine sehr ho-mogene und wenig poröse Oberfläche. Im Gegensatz dazu konnte bei den Magne-siumammoniumphosphat-Zementen (mit Ausnahme des Mg0,75Ca2,25(PO4)2 –Ze-ments) eine sehr raue Oberfläche mit einer starken Porosität nachgewiesen werden. Bei der Analyse der Zellmorphologie der Osteoblasten konnten keine deutlichen Unterschiede auf den verschiedenen Oberflächen beobachtet werden. Es zeigten sich vor allem ähnliche Formen der Zellkörper und auch die Anzahl der Zellen war re-lativ einheitlich; bei den zytoplasmatischen Zellfortsätzen konnten Unterschiede be-züglich ihrer Länge dargestellt werden. Auch die Auswertung der massenspektrometrischen Versuchsreihe ergab für die ver-schiedenen Magnesiumammoniumphosphat-Verbindungen ein sehr einheitliches Bild; beim Vergleich mit der Referenzoberfläche des Hydroxylapatit–Zements zeigte sich jedoch eine deutliche Diskrepanz bezüglich der Freisetzung von den verschie-denen Substanzen. Für die letztendliche Bewertung der Biokompatibilität von Magnesiumammonium-phosphat-Zementen und den eventuellen Einsatz als Knochenersatzmaterial bedarf es allerdings nicht nur zusätzlicher in vitro Versuchsreihen wie in der vorliegender Ar-beit, sondern auch vieler weiterführender Forschungsarbeiten, um die hier erzielten Ergebnisse zu verifizieren.