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Kompatibilität strukturierter Keramik-Werkstoffe im Zellkulturversuch mit normalen humanen dermalen Fibroblasten
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Authors
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W. Metzger
- Universitätskliniken des Saarlandes, Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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C. Aktas
- Leibniz-Institut für Neue Materialien GmbH, Saarbrücken, Germany
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M. Veith
- Leibniz-Institut für Neue Materialien GmbH, Saarbrücken, Germany
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G. Wennemuth
- Universität des Saarlandes, Anatomie und Zellbiologie, Homburg, Germany
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T. Pohlemann
- Universitätskliniken des Saarlandes, Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
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M. Oberringer
- Universitätskliniken des Saarlandes, Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Homburg, Germany
| Published: | October 15, 2009 |
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Fragestellung: Dauerimplantate zur Wiederherstellung der Gelenkfunktion oder als Knochenersatz erhalten durch die demografische Entwicklung zunehmende Bedeutung. Wichtigstes Problem dabei ist die verlässliche und langfristig stabile Osteointegration, die entscheidend von der Oberflächenstruktur abhängt. Trotz intensiver Forschungen kommt es klinisch immer wieder zu Fibrosierungen mit Mikrobewegungen und Osteolysen. Die Entwicklung neuer, osteointegrativer Biomaterialien (z.B. Al2O3) ist daher von großer Bedeutung. Es ist unser Ziel, Al2O3-Schichten definiert im Nano- und Mikrometermaßstab zu strukturieren, so dass die Adhäsion von Osteoblasten gefördert und die von Fibroblasten minimiert wird. In einem ersten Schritt wurde die Kompatibilität von Al2O3-Schichten unterschiedlicher Oberflächentopografie mittels normaler humaner dermaler Fibroblasten (NHDF) untersucht.
Methodik: Mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) wurden Al2O3-Schichten auf Glasträgern als "Nanowires" (NW) abgeschieden und die Topografie nachfolgend durch mehrfache Anwendung eines gepulsten Lasers (1x, 2x, 3x) schrittweise verändert.
Nach der materialwissenschaftlichen Charakterisierung der Schichten wurde in Zellkulturexperimenten mit NHDF der Einfluss der Topografien bei gleichbleibender Oberflächenchemie untersucht (n=5). Als Parameter der Kompatibilität diente die Zelldichte nach 2-tägiger Inkubation. Zur statistischen Absicherung wurde eine ANOVA durchgeführt.
Das Adhäsionsverhalten der NHDF wurde im Rasterelektronenmikroskop (REM) dargestellt.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen:
- 1.
- Es ist möglich, Al2O3-Schichten mittels CVD in Form von NW auf Glasträgern abzuscheiden. Die Schichten sind unter den Zellkultur-Bedingungen stabil. Eine Freisetzung von Al-Ionen ins Medium wurde nicht beobachtet.
- 2.
- Durch wiederholte Laseranwendungen kann die Oberflächenstruktur im Nano- und Mikrometerbereich modifiziert werden.
- 3.
- Die NW-Schicht besteht aus einem Aluminiumkern und einer Al2O3-Hülle. Nach der ersten Laseranwendung liegt reines Al2O3 vor, weitere Anwendungen führen zu keiner weiteren chemischen Modifikation.
- 4.
- Im REM zeigten sich deutliche Unterschiede in der Oberflächentopografie der Schichten und auch im Adhäsionsverhalten der NHDF.
- 5.
- Bei allen Substraten war die Zelldichte gegenüber der Glas-Kontrolle signifikant erniedrigt. Die höchste Zelldichte für Al2O3 wurde auf der 1x gelaserten Schicht beobachtet (p<0,05).
- 6.
- Unterschiede zeigten sich auch in der Hydrophobie und der mittleren Rauigkeit (NW: 10°/8,53 µm; 1x: 43°/4,22 µm; 2x: 36°/5,12 µm; 3x: 14°/6,37µm).
Die Ergebnisse zeigen, dass die Erzeugung von stabilen Al2O3-Schichten unterschiedlicher Topografie mittels CVD geeignet ist, Implantatwerkstoffe herzustellen, die ein selektives Anwuchsverhalten unterschiedlicher Zelltypen ermöglichen könnten. Zur Erreichung dieses Ziels ist auch die zusätzliche kovalente Ankopplung osteoinduktiver Faktoren denkbar. Weiterführend wird die Zellkompatibilität der Schichten mit Osteoblasten und auch in Co-Kultur mit NHDF untersucht werden.
