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Fragestellung: Superelastisches Nickeltitan (NiTi) ist aufgrund seiner herausragenden biomechanischen Kompatibilität zum Knochen ein besonderes Implantatmaterial. Aktuell werden poröse NiTi-Materialien für den Einsatz als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Diese Implantate könnten zur Verbesserung der Osteointegration mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) besiedelt werden. Für die Biokompatibilität von NiTi-FGL spielt der hohe Nickel-Gehalt (50%at) eine kritische Rolle. Die Integrität der passivierenden TiO2-Schicht auf NiTi ist für die Biokompatibilität des Materials von größter Wichtigkeit. Unter mechanischer Belastung kann diese Schicht und möglicherweise über eine Nickelfreisetzung zu adversen Reaktionen führen. Das Ziel dieser Studie war es, den Einfluss zyklischer mechanischer Belastung auf die Biokompatibilität von NiTi zu untersuchen. Dazu wurde ein Zellkulturschrank in eine große Zugmaschine eingebaut, um realitätsnahe Kräfte anwenden zu können. Zusätzlich wurde eine Belastungszelle konstruiert, in der Zugproben eingebaut werden konnten. Dieses Durchflusszellkultursystem ermöglicht die Kultivierung lebender Zellen auf zyklisch mechanisch belasteten Metallzugproben auch im Langzeitversuch.

Methodik: Um den Einfluss zyklischer mechanischer Belastung auf die Biokompatibilität von NiTi zu untersuchen, wurden jeweils NiTi-Zugproben mit hMSCs besiedelt und für 7 Tage präkultiviert. Danach wurden die Proben mit für 24 Stunden, bzw. 7 Tage zyklisch mechanisch belastet. Die Zugprobe wurde 86.400-mal mit einer Kraft von 3000 N (250 MPa) sinoidal um 2% gedehnt. Die Frequenz betrug 1 Hz (24 Stunden), bzw. 1/7 Hz (7 Tage). Zur Auswertung wurden die Zugproben aus dem Brutschrank ausgebaut. Das Zellkulturmedium wurde abgenommen und bei –80°C gelagert. Cytokinfreisetzung (IL-6) und die Nickelfreisetzung wurden quantifiziert. Die Viabilität Zellen wurde mittels Vitalfärbung (CalceinAM/ Propidiumiodidfärbung) fluoreszenzmikroskopisch analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Zwischen den unter mechanischer Belastung kultivierten Zellen und den parallel ohne Belastung kultivierten Zellen (Kontrollen) gab es hinsichtlich Vitalität und Morphologie keine Unterschiede. Die IL-6-Freisetzung der unter mechanischer Belastung kultivierten hMSCs, war signifikant höher (873 pg/mL) als die der statisch kultivierten Kontrollen (323 pg/mL). Die Nickelfreisetzung stieg ebenfalls infolge der mechanischen Belastung von vier auf fünf µg/L an. Die Biokompatibilität von NiTi wird durch die hier durchgeführte zyklische mechanische Belastung nicht beeinträchtigt.

Diskussion: Mit dem vorgestellten Belastungsmodell ist es möglich die Biokompatibilität zellbesiedelter Materialien unter für orthopädische Implantate relevanten Bedingungen zu untersuchen. Das neu etablierte Zellkultursystem schließt die Lücke zwischen statischen in vitro Zellkultur- und in vivo Tierexperimenten.