gms | German Medical Science

Fragestellung: Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht die Herstellung von endkonturnahen Implantaten aus Metallpulver. Dabei können hochkomplexe Geometrien auf der Basis des CAD/CAM-Verfahrens z.B. für die Schädel- und Gesichtschirurgie hergestellt werden. Eine Vorbesiedlung derartiger Implantate mit körpereigenen humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) könnte das An- und Einwachsen der Implantate insbesondere im Bereich kritischer Knochendefekte verbessern.

Ziel dieser Studie war es, optimale Parameter von porösen metallischen SLM-Implantaten als Träger für hMSC zu erarbeiten und die Zelladhärenz, Viabilität und Proliferation der hMSC an und in den SLM-Probekörper zu bestimmen. Zusätzlich wurde die Partikelfreisetzung aus den SML-Probekörpern, sowie die zelluläre Aktivierung von periphären mononukleären Zellen (PBMC) in Anwesenheit dieser Partikel analysiert.

Methodik: Ti6Al4V-Probekörper wurden mit unterschiedlichen Porendurchmessern und Geometrien (0.5, 0.8, 1.1 mm, Starcross, Dodekaeder und Fccz) hergestellt (SLM Solutions GmbH; Lübeck). Die Partikelfreisetzung aus den Probekörpern wurde hinsichtlich Partikelform, -größe und -anzahl analysiert (REM, Partikelanalyzer).

Zum Nachweis der Zellvitalität und zur Beurteilung der Proliferation wurden die Probekörper vorab mit 10⁵Zellen/ Probekörper für 24h oder 7d besiedelt und im Anschluss eine Calcein-AM Färbung durchgeführt. Die quantitative Analyse der Viabilität wurde mittels alamarBlue und LDH-Test durchgeführt. Das osteogene Differenzierungspotential wurde in Anwesenheit spezifischer Differenzierungsfaktoren nach 21d mittels Alizerin Red-Färbung mit anschließender Cetylpyridinium-Extraktion analysiert. Die zelluläre Aktivierung von PBMC durch die freigesetzten Partikel wurde mittels ELISA untersucht.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bedingt durch das pulvermetallurgische Fertigungsverfahren wurden porengrößenabhängige Partikelfreisetzungen aus den Probekörpern gemessen. Die Größenverteilung dieser sphärischen Partikel lag zwischen 1 μm bis 80 μm mit Maxima der Verteilungen bei 50 μm. Die Freisetzung stieg mit abnehmender Porengröße und zunehmender Porosität.

Nach der Besiedlung der Probekörper waren hMSC adhärent, vital und proliferierten auf dem Material. Aufgrund der größeren Oberfläche adhärierten mehr Zellen an den Dodekaeder-Probekörpern mit einem Porendurchmesser von 0,5mm als auf den Probekörpern der Starcross-Geometrie und einem Porendurchmesser von 0,8mm. Innerhalb der Poren wurden vitale Zellen detektiert, was eine Versorgung der Zellen im Probekörper durch ausreichende Diffusion zeigte. Die hMSC konnten außerdem auf den verschiedenen Probekörpern osteogen differenzieren. Humane PBMC inkubiert mit den freigesetzten SLM-Partikeln zeigten eine erhöhte Sekretion von IL-6.

SLM-Implantate aus Ti6Al4V eigenen sich als Träger für hMSC für eine spezielle Anwendungen im Rahmen der regenerativen Medizin. Allerdings sollte der Freisetzung von Mikro-Metallpartikeln aus SLM-Implantat-Material besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.