Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Quantifizierung der Osteointegration von oberflächenbeschichteten Titanimplantaten mittels Dualer Röntgenenergie-Absorptiometrie und Mikro-Computer-Tonographie im Kaninchenmodell

Seufert, Jutta

The aim of this study was to investigate the osteointegrative effects of two polymer coatings and one copolymer coating in an animal experiment. Furthermore, the effects of additionally bound BMP-2 on the improvement of osseointegration were investigated. Titanium cylinders of 3 mm length and diameter with a screw thread inside were   manufactured and electro polished. A benzophenone-functionalized phosphonic acid anchor was immobilized on the surface of the cylinders. Two polymers (PVBP, PMAA) and one Copolymer with the best results in cell growth experiments were selected for in vivo experiments. These molecules were attached to the titanium surface via monolayers of the phosphonic acid anchor through illumination with UV light (photochemical “grafting onto”). The coupling of BMP-2 to the uncoated and PVBP coated titanium surface of the cylinders resulted from unspecific, non-covalent binding (adsorption). The coupling of BMP-2 to the Copolymer, which contained a NHS-group, resulted from a covalent binding. In group I, the polymer (PVBP and PMAA) and Copolymer only coated cylinders as well as uncoated control cylinders were implanted in the right medial and lateral femur condyles and the medial and lateral proximal tibia of 11 New Zealand white rabbits in a rotating sequence. In group II, the BMP-2 coated cylinders (BMP-2, PVBP+BMP-2, Copolymer+BMP-2) as well as uncoated control cylinders were implanted in the right and left medial and lateral femur condyles of 16 rabbits in a rotating sequence. X-rays were taken immediately after implantation. The animals were euthanized 28 days after implantation and the bones including the implants were collected. Dual energy x-ray absorptiometry (DEXA) and micro-computer-tomography (µCT) measurements of the bone samples were undertaken to examine bone mineral density (BMD in g/cm2) and the ratio of bone volume to total volume (BV/TV in %) around the implants. None of the examined polymer molecules could improve the osseointegration of the titanium implants alone. The PVBP had significant worse periimplant bone volumes in the femur than the controls (T-test for paired samples: µCT: PVBP: control femur p=0,006; n=6). The Mann-Whitney-U-test (MWU-test) showed no significant differences between PVBP- and Copolymer-coated implants in the DEXA and µCT (PVBP: Copolymer DEXA: femur: p=0,770; tibia: p=0,917; µCT: femur: p=0,306; tibia: p=0,086). However, in group II, the copolymer in combination with BMP-2 reached a higher (not significant) mean BMD and BV/TV rate than the PVBP+BMP-2 and the controls. The mean BMD (DEXA) of PVBP+BMP-2 was similar to the control, the mean bone volume (µCT) was smaller than that of the control. Compared to the control the coating with BMP-2 alone showed better results in DEXA than in µCT. The differences between all three coatings (BMP-2, PVBP+BMP-2 and Copolymer+BMP-2) and the control were not statistically significant (DEXA: Friedman: χ2=0,525; df =3; p=0,913; n=16; µCT: Friedman: χ2=2,025; df=3; p=0,567; n=16). The comparison of group I and II showed no significant differences either (PVBP versus PVBP+BMP-2: MWU-test: DEXA: p=0,796; µCT: p=0,121; Copolymer versus Copolymer+BMP-2: MWU-test: DEXA: p=0,741; µCT: p=0,098). The results of the present study show that further research on polymers and growth factors is required to improve osseointegration of implants.

Mit der vorliegenden Untersuchung sollte geprüft werden, ob durch die Beschichtung von Titanoberflächen mit zwei verschiedenen Polymeren und einem Copolymer, sowie mit BMP-2, einem Polymer+BMP-2 bzw. einem Copolymer+BMP-2 die Osteointegration im Tierversuch verbessert werden kann. Dafür wurden Titanzylinder von 3 mm Länge und Durchmesser hergestellt und die Oberfläche elektropoliert. Zwei zuvor in Zellwachstumsexperimenten als biokompatibel getestete Polymere (PVBP, PMAA) und ein Copolymer wurden für die Untersuchung verwendet. Sie wurden über Monoschichten eines synthetisierten Benzophenon-Phosphonsäure-Ankers mittels UV-Licht kovalent an die Titanoberfläche gebunden (photochemisches „grafting onto“). Die Kopplung von BMP-2 an die unbeschichtete Titanoberfläche und an die mit PVBP beschichtete Oberfläche der Zylinder erfolgte durch unspezifische, nicht-kovalente Bindungen (Adsorption). Die Anbindung an das Copolymer, welches eine NHS-Gruppe besitzt, fand über eine kovalente Bindung statt. In Gruppe I wurden jeweils die mit den Polymeren (PVBP und PMAA) und dem Copolymer alleine beschichteten Zylinder sowie unbeschichtete Kontrollzylinder in die rechten medialen und lateralen Femurkondylen und die rechte mediale und laterale proximale Tibia von insgesamt 11 Kaninchen in rotierender Reihenfolge implantiert. In Gruppe II wurden die mit BMP-2 beschichteten Zylinder (BMP-2, PVBP+BMP-2, Copolymer+BMP-2) sowie unbeschichtete Kontrollzylinder in die rechten und linken medialen und lateralen Femurkondylen von insgesamt 16 Kaninchen in rotierender Reihenfolge implantiert. Unmittelbar postoperativ wurden Röntgenaufnahmen angefertigt. 28 Tage nach Implantation wurden die Tiere euthanasiert und der Knochen mit den Implantaten entnommen. Es wurden DEXA- und µCT-Messungen der Knochenproben durchgeführt, um die Knochendichte (BMD in g/cm2) und das Verhältnis des Knochenvolumens zum Gesamtvolumen (BV/TV in %) im periimplantären Bereich zu bestimmen. Keines der untersuchten Polymere (Gruppe I) konnte die Osteointegration von Titanimplantaten verbessern. Das PVBP hatte signifikant schlechtere periimplantäre Knochenvolumina im Femur als die Kontrollen (T-Test für gepaarte Stichproben: µCT: PVBP:Kontrolle Femur p=0,006; n=6). Der Mann-Whitney-U-Test (MWU-Test) zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen PVBP- und Copolymer-beschichteten Implantaten in DEXA und µCT (PVBP:Coplymer DEXA: Femur: p=0,770; Tibia: p=0,917; µCT: Femur: p=0,306; Tibia: p=0,086). In Gruppe II erzielte das Copolymer in Kombination mit BMP-2 eine etwas höhere (statistisch nicht signifikante) mittlere BMD und BV/TV-Rate als das PVBP+BMP-2 und die unbeschichteten Zylinder. Die mittlere BMD von PVBP+BMP-2 war im DEXA in Vergleich zu den Kontrollen nahezu gleich groß und im µCT war das mittlere Knochenvolumen geringer als bei den Kontrollen. Die alleinige BMP-2-Beschichtung zeigte im DEXA im Vergleich zu den Kontrollen eine etwas höhere Knochendichte; im µCT zeigte diese Beschichtung schlechtere Ergebnisse als die unbeschichteten Zylinder. Insgesamt waren die Unterschiede zwischen allen drei Beschichtungen (BMP-2, PVBP+BMP2 und Copolymer+BMP2) und der Kontrolle nicht signifikant (DEXA: Friedman: χ2=0,525; df =3; p=0,913; n=16; µCT: Friedman: χ2=2,025; df=3; p=0,567; n=16). Der Vergleich von Gruppe I und II zeigte ebenfalls keine signifikanten Unterschiede (PVBP versus PVBP+BMP-2: MWU-Test: DEXA: p=0,796; µCT: p=0,121; Copolymer versus Copolymer+BMP-2: MWU-Test: DEXA: p=0,741; µCT: p=0,098). Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass noch weitere Forschungen im Bereich der Beschichtung mit Polymeren und Wachstumsfaktoren nötig sind, um die Osteointegration von Implantaten zu verbessern.

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Seufert, Jutta: Quantifizierung der Osteointegration von oberflächenbeschichteten Titanimplantaten mittels Dualer Röntgenenergie-Absorptiometrie und Mikro-Computer-Tonographie im Kaninchenmodell. Hannover 2006. Tierärztliche Hochschule.

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