Besiedlung von SLM-technologisch hergestellten offenporigen Metallimplantaten mit mesenchymalen Stammzellen für eine optimierte Gewebeeinheilung und -regeneration

Status:

abgeschlossen 12/2013

Zielsetzung:

Mit dem Selektiven Laserschmelzen (SLM) lassen sich hochporöse Implantat-Geometrien erzeugen, die mit konventionellen Verfahren nicht oder kaum herzustellen sind. Zusätzlich können damit auch sogenannte "maßgeschneiderte" individuelle Implantate produziert werden. Ziel des Forschungsvorhabens war es, optimale Eigenschaften von porösen metallischen SLM-Implantaten als Träger für autologe mesenchymale Stammzellen zu erarbeiten (z. B. Porengröße, Gesamtporosität, Stabilität) und die Biokompatibilität der SLM-Implantat-Oberflächen für humane mesenchymale Stammzellen zu bestimmen (z. B. Zellvitalität, Zelladhärenz, Zellproliferation, Zelldifferenzierung).

Aktivitäten/Methoden:

Es wurden SLM-Zylinder-Probekörper (8 mm Durchmesser, 4 mm Höhe) aus der Legierung Ti6Al4V ELI (Alpha Beta Titan Legierung mit Vanadium und Aluminium "Extra Low Interstitials") von der Firma SLM-Solutions, Lübeck) hergestellt. Dabei wurden drei verschiedene vorgegebene Porengrößen (0,5; 0,8 und 1,1 mm) und drei verschiedene Geometrien (Starcross, Dodekaeder, Fccz) miteinander kombiniert (maximale Porosität 90 %). Die Probenanalyse erfolgte licht- und rasterelektronenmikroskopisch (REM). Die Porengrößen reduzierten sich nach Fertigung bis zu 200 μm durch adhärente Pulverpartikel. Trotz intensiven Waschens (8 x Ethanol, 2 x destilliertes Wasser) wurden porengrößenabhängige Partikelfreisetzungen aus den Probekörpern gemessen. Die Größenverteilung dieser sphärischen Partikel lag zwischen 1 μm bis 80 μm mit Maxima der Verteilungen bei 50 μm. Die Freisetzung stieg mit abnehmender Porengröße und zunehmender Porosität. Die Belastbarkeit der Proben wurde durch uniaxiale Druckversuche ermittelt. Die maximale Kraft zur ersten irreversiblen Stauchung lag oberhalb der Versagensspannungen von Wirbelkörpern beim Menschen mit Ausnahmen von hochporösen Dodekaeder-Strukturen (0,8 und 1,1 mm Porendurchmesser).

Ergebnisse:

Die zellbiologischen Analysen ergaben Adhärenz von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) an alle untersuchten Typen der Probekörper (Calcein-AM-Fluoreszenzmikroskopie, REM) einschließlich innerer Flächen wobei die Zellzahl mit abnehmender Porengröße stieg. Der Vergleich der Geometrien zeigte optimale Adhärenz an Dodekaeder sowie Starcross-Typen. Die Besiedlung der inneren Flächen der Testkörper war möglich. Zytotoxische Reaktionen der Zellen konnten nicht gemessen werden (PI-Färbung, LDH). Die Anzahl adhärenter Zellen stieg mit abnehmenden Porendurchmessern. Eine vorherige Beschichtung der Probekörper mit Fibronektin ergab keine Steigerung der Zelladhärenz. Adhärente hMSC proliferierten auf den Stegen der porösen Probekörper. Eine Besiedlung der Probekörper durch hMSC, eingebettet in geliertem humanem Plasma (Plasma-Clot), ergab gleichmäßige Zellverteilungen auch innerhalb der Poren, aber eine schlechtere Zellviabilität im Zentrum der Probekörper. Die osteogene Kapazität der hMSC blieb nach Adhärenz und Proliferation auf den Probekörpern oder nach Lyse der Plasma-Clot-Matrix erhalten.

Stand: