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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Oberflächenmodifikation von TiAl6V4 Implantaten mit über Nukleinsäureanker gebundenen Wachstumsfaktoren (BMP-2, VEGF-A) verbessert die Osteointegration im osteoporotischen Rattenmodell

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Julia V. Wölfle - Universitätsklinikum Ulm, Klinik für Orthopädie, Ulm, Germany
  • Jörg Fiedler - Universitätsklinikum Ulm, Klinik für Orthopädie, Sektion Biochemie der Gelenks- und Bindegewebserkrankungen, Ulm, Germany
  • Lutz Dürselen - Universitätsklinikum Ulm, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Ulm, Germany
  • Dieter Scharnweber - TU Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaften, Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien, Dresden, Germany
  • Bernd Schwenzer - TU Dresden, Fachrichtung Chemie, Professur für Allgemeine Biochemie, Dresden, Germany
  • Heiko Reichel - Universitätsklinikum Ulm, Klinik für Orthopädie, Ulm, Germany
  • Anita Ignatius - Universitätsklinikum Ulm, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik, Ulm, Germany
  • Rolf Brenner - Universitätsklinikum Ulm, Klinik für Orthopädie, Sektion Biochemie der Gelenks- und Bindegewebserkrankungen, Ulm, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR11-940

DOI: 10.3205/12dkou422, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4221

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Wölfle et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Die Einheilung orthopädischer Implantate und deren langzeitstabile Verankerung im Knochen sind zentrale Herausforderungen, die aufgrund zunehmender osteoporotischer Erkrankungen an Bedeutung gewinnen. Eine Strategie zur Verbesserung der Integeration im osteoporotischen Knochen stellt die Präsentation bzw. Freisetzung von Wachstumsfaktoren an der Implantatoberfläche dar. Ein neuartiger Ansatz hierzu besteht in der nanomechanischen Verankerung kurzer Nukleinsäureketten in einer anodisch verdickten Oxidschicht auf der Implantatoberfläche, an welche bioaktive Moleküle über komplementäre Nukleinsäurestränge hybridisieren können. Im vorliegenden Tierversuch wurde erstmals die Bioverträglichkeit und therapeutische Wirksamkeit über dieses System immobilisierter Wachstumsfaktoren (BMP2, VEGFA) im osteoporotischen Rattenmodell untersucht.

Methodik: 64 ovarektomierte Wistar-Ratten wurde im Alter von 25 Wochen (15 Wochen nach Ovariektomie) beidseitig zylinderförmige TiAl6V4-Implantate in die proximale Tibiametaphyse sowie ektop am Rücken subcutan eingesetzt, welche entweder keine Beschichtung (n=16), nur immobilisierte Nukleinsäureanker (n=16) oder an die Nukleinsäureanker gebundene Wachstumsfaktoren (BMP-2, n=16 oder VEGFA, n=16) aufwiesen. Nach vier bzw. zwölf Wochen erfolgte die Tötung von jeweils acht Tieren jeder Versuchsgruppe. Das Vorliegen einer verminderten Knochendichte nach Ovarektomie wurde im Vergleich zur nicht ovarektomierten Ratte mittels µCT (LWK 4) kontrolliert. Die Osteointegration wurde biomechanisch im Pull-out-Experiment und die induzierte Knochen-Neubildung mittels unentkalkter Knochenhistologie (Masson-Goldner-Färbung) analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Im µCT stellte sich zum Implantationszeitpunkt eine signifikant niedrigere Knochendichte nach Ovarektomie (0,350 g/cm3) im Vergleich zur nicht ovarektomierten Ratte (0,475 g/cm3, p<0,05) dar. Im ektopen Lager zeigte sich keine Entzündungsreaktion. Nach 4 Wochen Standzeit ließ sich eine signifikant höhere Auszugskraft der mit VEGF-A modifizierten Implantate (Median 42,3N) im Vergleich zum unbeschichteten Implantat (Median 37,4N, p<0,05) darstellen. Nach 12 Wochen Standzeit zeigte sich eine signifikant höhere Auszugskraft der mit BMP-2 modifizierten Implantate (Median 81,8N) sowohl im Vergleich zum unbeschichteten Implantat (Median 57,0 N, p=0,02) als auch im Vergleich zum Implantat nur mit Nukleinsäureankern (Median 65,0 N, p=0,02). Um die Implantate herum konnte eine deutliche Knochen-Neubildung bei Wachstumsfaktor-Funktionalisierung beobachtet werden. Die Implantatintegration vom eingesetzten rauhgestrahltem TiAl6V4 im osteoporotischen Knochen konnte durch Oberflächenfunktionalisierung mit gebundenen VEGFA-Molekülen in der Frühphase und durch Bindung von BMP-2-Molekülen auch mittelfristig signifikant verbessert werden. Daher erscheint ein Einsatz des modularen, selbstorganisierenden Immobilisationssystems mit hybridisierten Wachstumsfaktoren in der Endoprothetik osteoporotischer Patienten vielversprechend.