gms | German Medical Science

Einleitung: Nickeltitan (NiTi) ist aufgrund seiner herausragenden biomechanischen Kompatibilität zum Knochen ein äußerst interessantes Implantatmaterial. Der E-Modul von NiTi (28 GPa) liegt näher an dem von Knochen (0,3–20 GPa) als der E-Modul anderer Knochenersatzmaterialien. Aktuell werden poröse NiTi-FGL Probekörper für den Einsatz als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Im Rahmen eines Tissue Engineerings könnten derartige Implantate 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. NiTi verfügt aber über eine passivierende TiO₂ Oberfläche, die die Ionenfreisetzung vermindert. Die Integrität dieser TiO₂-Schicht ist für die Biokompatibilität des Materials unter statischen Bedingungen von größter Wichtigkeit. Orthopädische Implantate werden im Körper in der Regel mechanisch belastet. TiO₂ als spröde Keramik kann bei Dehnung des pseudoelastischen NiTis aufbrechen 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.

Material und Methoden: Um realitätsnahe Kräfte anwenden zu können wurde ein Zellkulturschrank in eine große Zugmaschine eingebaut. Zusätzlich wurde eine Belastungszelle konstruiert, in der Zugproben eingebaut werden konnten. Dieses Durchflusszellkultursystem ermöglicht die Kultivierung lebender Zellen auf zyklisch mechanisch belasteten Metallzugproben. Um den Einfluss zyklischer mechanischer Belastung auf die Biokompatibilität von NiTi zu untersuchen, wurden jeweils zwei NiTi-Zugproben mit hMSCs besiedelt. Nach 7 Tagen wurden die Zugproben unter sterilen Bedingungen belastet. Eine der Proben im Brutschrank wurde nicht mechanisch belastet. Die zweite Probe wurde mit dem Zuggestänge der Zugmaschine verbunden und 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. Die Interleukin-6 (IL-6) und die Nickel Ionenfreisetzung wurde quantifiziert. Die Zellen wurden einer Vitalfärbung (CalceinAM/ Propidiumiodidfärbung) unterzogen und unter einem Fluoreszenzmikroskop photographiert.

Ergebnisse: Zwischen den unter mechanischer Belastung kultivierten Zellen und den parallel ohne Belastung kultivierten Zellen 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.

Schlussfolgerung: Die Biokompatibilität von NiTi wird durch die hier durchgeführte zyklische mechanische Belastung nicht beeinträchtigt. 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.