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Bei der mechanischen Beanspruchung von metallischen Implantatwerkstoffen entstehen neben festen Verschleißprodukten (Partikel) auch solche, die direkt bei ihrer Entstehung in Lösung gehen (Ionen und Nanokolloide). Diese haben in bisherigen experimentellen Arbeiten zur Biokompabilität nur wenig Beachtung gefunden. Ziel unserer Arbeit war es die Wirkung von nanokolloidalem Verschleiß mit dem von nicht nanokolloidalem zu vergleichen.

In einem standardisierten Stift-Scheibe-Versuch wurde unter sterilen Bedingungen Nassverschleiß von drei verschiedenen Werkstoffen erzeugt (CrNi-Stahl, CrMn-Stahl und Titan). Die Laufzeit betrug 24 Stunden, als Verschleißmedium diente RPMI-1640 unter Zusatz von 2% FCS. Das gewonnene Verschleißmedium wurde mittels Ultrazentrifugation in eine Partikel- (PA, >200nm) und eine kolloidale (KO, <200nm) Fraktion getrennt. Die Konzentration der einzelnen Legierungsbestandteile wurde mittels ICP-OES bestimmt. Zur Bestimmung der inflammatorischen Reaktion wurden J774 Makrophagen mit beiden Verschleißmedien (KO und PA) kontaminiert (96-Well-Zellkulturplatten; 40000 Zellen/Well 20 Stunden Inkubation bei 37°C, 5% CO2). Aus den Überständen wurde TNF-α mittels ELISA bestimmt. Toxische bzw. apoptotische Wirkungen beider Fraktionen wurden mittels MTT-Vitalitätstest untersucht (96-Well-Zellkulturplatten für 20h; Photometrische Messung von reduziertem MTT).

Die ICP-OES konnte in beiden Fraktionen relevante Mengen der einzelnen Legierungsbestandteile nachweisen. Die Vitalität der Zellen zeigte sich durch Inkubation mit der Kolloidfraktion (KO) unbeeinflusst (siehe Tabelle). Bei steigenden Konzentrationen von Partikeln (PA) zeigt sich ein deutlicher Rückgang der Vitalität für alle Werkstoffe, für Stahl (CrNi, CrMn) stärker als für Titan. Die Konzentration des proinflammatorischen TNF-α zeigte bei den Kolloidfraktionen keine nennenswerten Änderungen. Bei steigenden Partikelkonzentrationen zeigte sich bei Stahl ein Rückgang der TNF-Synthese, bei Titan hingegen blieben die Konzentrationen gleich hoch.

[Tab. 1]

Partikel haben toxische/ apoptotische Wirkungen auf Makrophagen. Dadurch sinkt die Synthese von TNF-a bei steigender Partikelkonzentration. Der Einfluss der kolloidalen Fraktion auf die Vitalität ist geringer als der der PA Fraktion möglicherweise weil die Konzentration der Metallbestandteile in der KO Fraktion ebenfalls geringer ist als für PA. Titanpartikel zeigen trotz toxischer Wirkungen eine konstante TNF-Synthese. Dies könnte ein Hinweis auf eine gesteigerte inflammatorische Reaktion noch vitaler Zellen sein.