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Untersuchung der Osteoklasten-Biomaterial-Interaktion mittels fokussierten Ionenstrahls
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Veröffentlicht: | 21. Oktober 2010 |
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Fragestellung: Die Korrosion orthopädischer Implantate ist ein relevantes klinisches Problem. Es wurde postuliert, dass Osteoklasten für Korrosion und Versagen explantierter Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (NiTi-FGL)-Implantate verantwortlich seien könnten. Zusätzlich besteht die Gefahr einer möglichen Freisetzung von Nickel-Ionen aus NiTi-FGL (50 at.-% Ni / 50 at.-% Ti). Die Titandioxidschicht bildet eine Barriere gegen die Freisetzung von Nickel-Ionen. Daher ist die Integrität der Oberflächenschicht von entscheidender Bedeutung für die Biokompatibilität von NiTi-FGL. Knochenresorbierende Osteoklasten sezernieren lokal hohe Konzentrationen an HCl und könnten so Metalloberflächen korrodieren. Osteoklasten adhärieren während des Knochenumbaus auch auf vorhandenen Implantatoberflächen. In Folge wäre eine lokale, Osteoklasten-vermittelte Zerstörung der passivierenden TiO2 Schicht möglich.
Methodik: Osteoklasten wurden aus humanen PBMCs durch Zugabe von Dexamethason, M-CSF (macrophage colony-stimulating factor), RANKL (receptor activator of NF-κB ligand) und TGF-β1 (transforming growth factor-β1) differenziert. Die Osteoklasten wurden für acht Wochen sowohl auf Calciumphosphat beschichteten Glasplättchen (positiv Kontrolle) als auch auf NiTi-FGL Proben kultiviert. Die Grenzfläche zwischen Osteoklast und Substrat wurde mittels Fokussiertem Ionenstrahl (FIB) dargestellt und rasterelektronenmikroskopisch analysiert. Die Nickel-Konzentration im Zellkulturmedium wurde mittels Atomabsorptionsspektroskopie quantifiziert.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen: PBMCs wurden erfolgreich zu Calciumphosphat resorbierenden Osteoklasten differenziert. Die Grenzfläche zwischen Osteoklast und Substrat konnte mittels FIB erfolgreich dargestellt werden. Rasterelektronenmikroskopisch wurden keine Anzeichen für eine Korrosion der NiTi-FGL Proben gefunden. Die Nickelfreisetzung der mit Osteoklasten besiedelten NiTi-FGL Proben (18,3±14,8 µg/L) war im Vergleich zu den ohne Osteoklasten besiedelten Proben (28,3±23,9 µg/L) nicht erhöht.
Der Einsatz der fokussierten Ionenstrahlung ermöglicht die Untersuchung der Zell-Biomaterial-Interaktion direkt an der Zell/ Implantatgrenzfläche. Unter den experimentellen Bedingungen induzieren Osteoklasten keine Korrosion von NiTi-FGL.