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Mechanischer Stress bedingt Verschleiß von Osteosynthesematerialien mit toxischer und inflammatorischer Wirkung im Gewebe. Wir wollen zeigen, ob es möglich ist, partikulären insbesondere nanokolloidalen Verschleiß zu produzieren mit der Reaktion von Makrophagen auf diese Verschleißprodukte. Schwerpunkt ist die Biokompatibilität von Kobaltchrom (CoCr) und eines neuen nickelfreien Edelstahls P2000.

Dazu entwickelten wir einen Stift-Scheibe-Versuch, welcher im Zellkulturmedium unter sterilen Bedingungen, metallischen Verschleiß generiert. Mittels des Massenzentrifugationsgesetzes Stokes´ Law, konnte das gewonnene Verschleißmedium in 2 Fraktionen in Partikel 200nm und in Nanokolloide 200nm gespalten werden. Es erfolgte die Messung der metallischen Komponenten von CoCr und P2000 im Plasmaspektrometer ICP-OES. Im Zellkulturmodell kultivierten wir Makrophagen des Typs J-774 im RPMI-1640 Medium mit 2%FCS Rinderserum mit Partikeln und Nanokolloide in aufsteigenden Konzentrationen (12,5%, 25% und 50% Volumenprozent). Die Quantifizierung erfolgte durch Analyse von TNF-α im ELISA und der Zellvitalität mittels MTT Prüfung.

Die Messungen im Plasmaspektrometer ICP-OES legen die Unterschiede in der Komponentenanalyse der beiden Fraktionen Partikel und Nanokolloide CoCr und P2000 dar. Die Nanokolloide P2000 enthalten 0.14ppm Cr, 0.12ppm Mn und 0.06ppm Mo. Partikel zeigen 0.16ppm Cr, 0.009ppm Mo, weniger Mn mit 0.07ppm. Der Werkstoff CoCr weist in der Fraktion der Nanokolloide 0.32ppm Cr und 1.9ppm Co auf, wobei Partikel 0.22ppm Cr und 0.36ppm Co aufweisen. Bei Betrachtung der TNF-α Produktion nach Inkubation der J-774 Makrophagen mit verschiedenen Konzentrationen der Verschleißmedien(n=24), nehmen die Werte von TNF-α durch Nanokolloide von 200pg/ml bei 12,5% bis auf 100pg/ml bei 50% ab. Die Partikel hingegen zeigen keine eindeutige Tendenz, hier liegen die Werte zwischen 120 und 190pg/ml. Nanokolloide von CoCr bewirken eine Abnahme von TNF-α von 150pg/ml bei 12,5% bis auf 80pg/ml bei 50% Verschleißmedium. Im Gegensatz dazu induzieren die Partikel von CoCr eine Zunahme von TNF-α von 110pg/ml bis auf 200pg/ml mit ansteigenden Konzentrationen.

Die Untersuchung der Zellvitalität (n=24) zeigt, dass die Nanokolloide P2000 mit ansteigender Konzentration zu einer Abnahme der Vitalität von 97% bis auf 45% führen. Partikel des Werkstoffes P2000 lassen die Vitalität bei allen Konzentrationen um 100% stagnieren. Ganz im Gegensatz führen Nanokolloide von CoCr zu einer abnehmenden Vitalität von 54% bis auf 29% in ansteigenden Konzentrationen Verschleißmedium und Partikel produzieren eine nahezu unveränderte Zellvitalität von 42%.

Es ist also möglich von CoCr und P2000 sterile Verschleißprodukte nanokolloidaler Größe herzustellen. Diese wiederum bewirken verschiedene Effekte auf Vitalität und Inflammation. P2000 zeigt weniger toxische und inflammatorische Auswirkungen, allerdings hat CoCr stärkeren Einfluß in der Toxizität.