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Fragestellung: Zahlreiche Untersuchungen weisen auf verbesserte biologische Eigenschaften von Hydroxylapatit (HA)-Zementen durch die Modifikation mit Kollagen Typ I als Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix hin. Zur weiteren Verbesserung der osteokonduktiven Eigenschaften wurden diese Komposite mit aktiven Bestandteilen der extrazellulären Matrix modifiziert.

Methodik: Als Grundkörper diente ein nanokristalliner mit 2,5% biomimetisch kristallinisiertem Kollagen Typ I versetzter Calciumphosphat-Zement, der bei Raumtemperatur zu HA aushärtet. Folgende Modifikationen wurden zugefügt und untersucht: 100 mg/g Calciumcarbonat (CA), 48 mg/g Natriumcitrat (NC), 50 mg/g O-Phospho-L-Serin (PS, als funktioneller Bestandteil von Osteopontin), 50 mg/g O-Phospho-L-Serin + 50 µg/g RGD-Peptid (RGD). Der nicht modifizierte HA/Kollagen-Zement (HAK) diente als Kontrolle. Ausgehärtete zylindrische Probenkörper (2.5*6 mm) wurden press-fit in einen sagittalen Stanzdefekt in der Tibia-Metaphyse von adulten Wistar-Ratten implantiert. Die Gewinnung der Tibiae von jeweils 6 Tieren pro Gruppe und Zeitintervall erfolgte nach 4, 7, 14, und 28 Tagen.

Ergebnisse: Elektronenmikroskopisch fand sich bei den HAK- und CA-Zementen nach dem Aushärten eine Partikelgröße zwischen 200-500 nm mit plättchenförmiger Morphologie. Bei PS, NC und RGD lag eine zusätzliche nadelförmige Partikelpopulation von deutlich unter 200 nm vor. Die axiale Kompressionsfestigkeit betrug durchschnittlich 28 MPa bei HAK, 31 MPa bei NC, 18 MPa bei CA, 42 MPa bei PS und RGD. Die enzym- und immunhistochemische Analyse der Interface um die Zemente zeigte am 7. postoperativen Tag eine signifikant vermehrte Anzahl ED 1-positiver Makrophagen und TRAP-positiver Osteoklasten im Interface um die PS-, NC- und RGD-Zemente im Vergleich zu den HAK- und CA-Zementen (p<0,05). Umgekehrt fand sich um HAK und CA am 14. Tag eine signifikante Erhöhung ED1-positiver Zellen. Histomorphometrisch betrug der direkte Knochen-Implantat-Kontakt nach 28 Tagen 28,5% um HAK, 39,6% um CA, 66,9% um RGD, 67,5% um NC und 89,5% um PS und war somit bei den RGD-, NC- und PS-Zementen signifikant gegenüber dem Ausgangszustand erhöht (p<0,05). In einem Radius von 0,1 mm um das Implantat wurde zudem eine signifikant (p<0,05) erhöhte Knochenneubildung um PS (55,6%), RGD (62,2%) und NC (50,4%) im Vergleich zu HAK (30,3%) und CA (26,5%) gesehen.

Schlussfolgerung: Die vorliegenden Versuche belegen eine hohe osteogene Potenz von kleineren funktionellen Molekülen der Extrazellularmatrix wie Natriumcitrat, Phosphoserin und RGD-Peptid. Die Ergebnisse sprechen für ein beschleunigtes Knochenremodeling und eine vermehrte Knochenneubildung bei mechanisch erhöhter Festigkeit gegenüber dem Ausgangswerkstoff.