Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Laura Christine Roland  

 

 

Einfluss funktionalisierter metallischer Implantate auf die

Angiogenese in vitro

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-108444

title (engl.)

Influence of functionalized metallic implants on angiogenesis in vitro

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/rolandl_ss16.pdf

abstract (deutsch)

Implantate zur Behandlung kritischer Knochendefekte im Schädelbereich sollen sowohl patientenindividuell, konturgerecht als auch stabil sein und eine gute Einheilung in den Knochen gewährleisten. Da eine adäquate Blut- und somit auch Nährstoffversorgung im Zentrum solcher Defekte oft nicht gewährleistet ist, ist es wichtig, dass die Implantate möglichst eine frühe Angiogenese und eine knöcherne Durchbauung fördern. Neben bekannten Titanimplantaten ist Magnesium ein vielversprechender Werkstoff, da er bioresorbierbar ist und über zum Knochen ähnliche mechanische Eigenschaften verfügt. Somit könnte eine zweite Operation zur Entfernung des Implantatmaterials, die bei Titanimplantaten manchmal nötig ist, vermieden werden.

 In dieser Arbeit wurden mit Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und High Mobility Group Box 1 (HMGB1) funktionalisierte Titan- und Magnesiumimplantate auf ihre Biokompatibilität und ihre proangiogene Wirkung hin untersucht. Außerdem wurde  eine Methode zur Prüfung des Einflusses metallischer Implantate auf die Angiogenese in vitro für eine Vorauswahl geprüft, um Tierversuche zu verringern.

 Die evaluierten Titan- und Magnesiumimplantate mit 600 µm Porengröße können patientenindividuell und kostengünstig über selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden.  Die Vitalität und Proliferation von Osteoblasten auf Titanimplantaten war vergleichbar zu der auf normalen Zellkulturplatten.

Um die Implantate mit Wachstumsfaktoren funktionalisieren zu können und die Korrosion der Magnesiumimplantate zu verlangsamen, müssen die Implantate mit einem biokompatiblen Polymer beschichtet werden. Poly-ɛ-caprolacton (PCL) wurde als geeignetes Material ausgewählt, da fluoreszierende Osteoblasten im Live Cell Imaging (LCI) über einen Verlauf von sieben Tagen ein gutes Wachstumsverhalten auf mit PCL-beschichteten Titanimplantaten zeigten.

Die proangiogenen Faktoren VEGF und HMGB1 wurden einzeln und in Kombination in die PCL Schicht der Implantate mittels Physisorption inkorporiert.

Die Faktoren behielten auch nach der Inkorporation und der Freisetzung ihre Bioaktivität, was mit  einem Migrationsassay nachgewiesen werden konnte. Weiterhin wurden die funktionalisierten Implantate auf ihre proangiogene Wirkung mit einem Co-Kultur Angiogenese Assay der Firma Cellworks in vitro untersucht. Mit VEGF funktionalisierte Titanimplantate förderten die Angiogenese deutlich im Vergleich zu beschichteten und unbeschichteten Titanimplantaten. Auch Titanimplantate, die mit einer Kombination aus VEGF und HMGB1 funktionalisiert wurden, konnten die Angiogenese im Vergleich zu beschichteten Titanimplantaten fördern, waren jedoch wesentlich schlechter als Titanimplantate, die nur mit VEGF funktionalisiert wurden. HMGB1 alleine erzielte in dem hier gewählten Versuchsaufbau keinen proangiogenen Effekt. Die mit PCL beschichteten Implantate führten zu einer verminderten Angiogenese im Vergleich zu unbeschichteten Titanimplantaten.

Es konnte gezeigt werden, dass das gewählte Angiogenese Assay eine geeignete in vitro Methode zur Prüfung verschiedener Titanimplantaten ist. Magnesiumimplantate konnten in diesem Assay nicht evaluiert werden, da sie zu stark korrodierten.

 

abstract (englisch)

For treatment of critically sized cranial bone defects, implants should be load bearing, patient individually, contour-designed and enhance ingrowth of bone. A lack of angiogenesis and thus supply of nutrients is a commonly reason for inadequate healing of large defects. Therefore, implants should also improve early angiogenesis and thus bone healing. Besides of well-known titanium implants, magnesium provides a promising material for tissue engineering, because of its mechanical properties, which are close to those of bone and it‘s biodegradability. A second operation for implant removing could be avoided by using biodegradable materials.

In this study, biocompatibility and influence on angiogenesis of titanium and magnesium implants functionalized with Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and High Mobility Group Box 1 (HMGB1) were evaluated. Furthermore an angiogenesis assay was performed for analysing the influence of metallic implants on angiogenesis to make a preselection for reducing animal experiments in future.

Using Selective Laser Meling (SLM) titanium and magnesium implants with a strut and pore size of 600 µm can be manufactured patient individually and cost efficiently. Vitality and proliferation of osteoblasts on the surface of titanium implants was comparable to well bottom.

For incorporating proangiogenic factors into the implants and for decelerating the corrosion of magnesium implants, coating with a biocompatible polymer was necessary. Poly-ɛ-caprolactone (PCL) was chosen as coating material as green fluorescent osteoblasts showed promising growth behavior on PCL coated titanium implants over seven days using Live Cell Imaging (LCI).

Either individually or in combination VEGF and HMGB1 were incorporated into the PCL layer of the implants using physisorption.

Proangiogenic factors were still bioactive after incorporation and releasing. This could be evidenced by migration assay. Influence of functionalized implants on angiogenesis in vitro was evaluated with a co-culture angiogenesis assay provided by Cellworks. Titanium implants functionalized with VEGF enhanced angiogenesis compared to coated and uncoated titanium implants. Titanium implants functionalized with both cytokines stimulated angiogenesis compared to coated titanium implants but were less stimulating than implants with VEGF alone.

HMGB1 alone could not stimulate angiogenesis in this assay. PCL coated implants reduced angiogenesis compared to pure titanium implants.

The study has shown that the chosen angiogenesis assay is a suitable method for evaluating titanium implants in vitro. Magnesium implants could not be analysed because of their fast corrosion.

 

keywords

Kritische Defekte, Angiogenese, metalische Implantate, critically sized defects, angiogenesis, metallic implants

kb

7.441