Entwicklung und in vitro-Prüfung von Implantatkonstrukten für kritische Defekte im Schädelbereich

Matena, Julia

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Entwicklung und in vitro-Prüfung von Implantatkonstrukten für kritische Defekte im Schädelbereich

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Implantate für den Kopfbereich nach schweren Verletzungen und Tumoroperationen sollen dem Defekt entsprechend patientenindividuell gestaltbar sein und neben der temporären Stabilität schnell durchbaut werden. Ab einer kritischen Größe eines Defekts reicht das Potenzial der physiologischen Knochenneubildung meist nicht, weil die Vaskularisation nicht adäquat schnell einsetzt. Nach einer ausreichenden Osteosynthese ist das Implantat entbehrlich und meist sogar störend. Aus diesem Grund werden Implantate in der Regel im Rahmen einer Zweitoperation erneut traumatisierend entfernt. Ein Implantat mit ausreichender Stabilität für die Primärversorgung, das wie Magnesium später resorbiert wird, wäre daher wünschenswert. Verschiedene Aspekte, Implantate für kritisch große Gesichtsschädeldefekte zu konzipieren, wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. Zunächst wurde das Zellwachstum auf Titanoberflächen verfolgt, die über einen selektiven Laserschmelzprozess (SLM) formindividuell hergestellt worden waren. Bis in den µm-Bereich ließen sich dadurch formvorgegebene Strukturen schaffen. Über das hier verwendete SLM-Verfahren konnten somit patientenindividuelle Geometrien aus Titan angefertigt werden. Dabei ließen sich 250µm große Poren in das Metall einarbeiten, in denen fluoreszierende Osteoblasten proliferierten. Ergänzend wurde die Titanoberfläche mit einem Polycaprolacton-Polmer (PCL) beschichtet mit dem Ziel, verschiedene proangiogene Faktoren aufzunehmen. Da die im Vergleich zur porösen Titanoberfläche veränderte Polymer-Oberfläche einen Einfluss auf das Zellwachstum haben kann, wurde zunächst das Osteoblastenwachstum über die Zeit in vitro mikroskopisch betrachtet (Live Cell Imaging, LCI). Dabei war die Entwicklung des Zellwachstums und der Zellfläche über den beobachteten Zeitraum auf der Polymeroberfläche nur unwesentlich schwächer als auf porösem, unbeschichtetem Titan. Von den geprüften proangiogenen Faktoren High-Mobility-Group-Protein B1 (HMGB1), Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) und CXC-Motiv-Chemokin 12 (CXCL12) zeigte das HMGB1 den stärksten Einfluss auf die Migration von Endothelzellen und bietet sich daher als Kofaktor an, um in polymerbeschichteten Implantaten die Vaskularisation zu beschleunigen. Mit dem SLM-Verfahren wurden, über die Titanimplantate hinaus, Implantate aus Magnesium für die in vitro-Zellwachstumsstudien angefertigt. Um die frühzeitige Resorption des Magnesiums zu verhindern und um Wachstumsfaktoren gezielt zum Implantat einzubringen, wurde vergleichend eine Beschichtung mit PCL und P(3HB) (Polyhydroxybutyrat) aufgebracht. Unter dem LCI wurde das Proliferations- und Migrationsverhalten von Osteoblasten und Fettstammzellen verfolgt. Über die PCL-Beschichtung konnte die Korrosion des Magnesiums hinausgezögert werden und das in vitro charakterisierte Zellwachstum deutet auf eine gute Biokompatibilität hin.

Craniofacial implants, needed after serious injuries or tumor surgery, should be reconstructed patient individual to match the defect contour. A temporary stability should be maintained during a preferably fast bone remodeling. Above a critical sized defect physiological bone growth is limited due to insufficient vascularization. Once osteosynthesis is satisfactorily completed, the implant itself is dispensable and usually irritating. For this reason implants usually are removed in a second surgery. Sufficiently stable implants for primary care, that could be resorbed comparable to magnesium, are favorable. In the present study different concepts have been examined, that meet the requirements at the critical sized craniofacial bone defects. The cell growth was imaged on titanium surface, that was manufactured patient individually by Selective Laser Melting (SLM). A defined structure could be manufactured to the µm-range. This SLM method offers a patient individual titanium implant production. A porous structure of 250 µm pore size was realized, where fluorescent osteoblasts were able to proliferate. Additionally, the titanium implant was coated with a polymer (polycaprolactone, PCL), to enable proangiogenic factor incorporation. As cell growth on the coated titanium surface could be different to the uncoated implant, the different implant materials were compared in the cell culture using osteoblasts with the Live Cell Imaging method (LCI). The development of cell count and cell size, that were examined during the imaging period, were slightly weaker on the PCL coated titanium implant. Among the tested proangiogenic factors high-mobility-group-protein B1 (HMGB1), vascular endothelial growth factor (VEGF) and CXC-motif-chemokine 12 (CXCL12) the HMGB1 showed highest cell migration values for endothelial cells. This indicates that it could be potential to incorporate factors into the polymer coating to improve vascularisation. Besides titanium implants, magnesium implants were successfully manufactured using SLM and could be examined in in vitro studies. The implants were coated with the polymer PCL or P(3HB) (polyhydroxybutyrate) to prevent magnesium from fast corrosion and to enable factor incorporation. Proliferation and migration of osteoblasts and mesenchymal stem cells were imaged using the LCI. The PCL coating could reduce the magnesium corrosion and the cell growth in vitro indicates a good biocompatibility.