Untersuchungen zur Biokompatibilität und mikrobiellen Beeinflussung von permanenten Implantaten

Gödecke, Daria

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Untersuchungen zur Biokompatibilität und mikrobiellen Beeinflussung von permanenten Implantaten

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In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene beschichtete Ti67- und Ti2448-Titanlegierungen, welche konventionell oder mit pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (LPBF) hergestellt wurden, auf ihre Biokompatibilität und eine mögliche Beeinflussung von Bakterien untersucht. Das Ziel war es, in Bezug auf diese Eigenschaften, eine erste Einschätzung zu ihrer Eignung als Implantatmaterial geben zu können. Es wurde festgestellt, dass die Titanlegierungen grundsätzlich eine gute Verträglichkeit mit den untersuchten Zelllinien (HOS, 7F2) und den primären murinen Osteoblasten aufwiesen. Obwohl die Zellproliferation insbesondere auf den silberhaltigen Legierungen zum Teil deutlich herabgesetzt war, fanden sich keine erhöhten Zytokinausschüttungen (IL-6, TNF-α) und damit keine Hinweise auf ein proinflammatorisches Geschehen durch den Kontakt mit den Substraten. Auch in weiteren Untersuchungen konnten unter Betrachtung des RANKL-OPG-Verhältnisses, der Freisetzung der alkalischen Phosphatase sowie der Mineralisierung mittels Alizarinrot-Färbung keine Hinweise auf einen gestörten Zell- oder Knochenstoffwechsel gefunden werden. Bei einer Biofilmanzucht (3, 24 Stunden) von Staphylococcus aureus auf den Substraten wurde beobachtet, dass die Anheftung der Bakterien von dem Herstellungsverfahren sowie der unterschiedlichen Oberfläche der Substrate abhängig und auf den raueren LPBF-Substraten erhöht war. Obwohl weder eine eindeutige antimikrobielle Wirkung noch eine signifikante Beeinflussung der Bakteriendurch die Titanlegierungen festgestellt werden konnte, wurden in weiteren Versuchen Hinweise auf einen möglichen Einfluss der silberhaltigen Substrate und der Ti2248-Legierung auf die Lebensfähigkeit und die strukturelle Unversehrtheit der Bakterien gefunden. Aufgrund der guten Biokompatibilität gegenüber den Zellen, wäre eine Eignung der Legierungen als Implantatmaterial grundsätzlich möglich. Jedoch besteht aufgrund großer Varianzen innerhalb der einzelnen Legierungen weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit der Substrate.

In the present work, different coated Ti67 and Ti2448 titanium alloys, which were produced conventionally or with powder bed-based laser beam melting (LPBF), were tested for their biocompatibility and influence on bacteria. The goal was to give an initial assessment of their suitability as implant materials with regard to these properties. It was found that the titanium alloys showed good compatibility with the tested cell lines (HOS, 7F2) and primary murine osteoblasts. Although cell proliferation was significantly reduced, in particular on the silver-containing alloys, there was no increased cytokine release (IL-6, TNF-α) and therefore no evidence of a possible proinflammatory process resulting from contact with the substrates. Further studies, considering the RANKL-OPG ratio, the release of alkaline phosphatase and mineralization by alizarin red staining, did not provide any evidence for a disturbed cell or bone metabolism. In a biofilm culture (3, 24 hours) of Staphylococcus aureus on the substrates, it was observed that the attachment of the bacteria depended on the manufacturing process and the different surfaces and that it was increased on the rougher LPBF substrates. Although neither a clear antimicrobial effect or a significant influence of bacteria by the titanium alloys could be identified, in further studies several indications have been found that silver-containing substrates and the Ti2248 alloy may have an effect on the viability and structural integrity of bacteria. Due to the good cell biocompatibility, a suitability of the utilized alloys as implant material based on the investigated properties would basically be possible. However, due to large variability within the different alloys, further research regarding the surface properties of the substrates is required.