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Fragestellung: Konventionelle Knochenersatzstoffe z.B. aus Hydroxylapatit oder Beta-Tricalciumphosphat besitzen nur eingeschränkte osteoinduktive Eigenschaften. Eine Alternative stellen bioaktive Gläser dar. Durch ihre Zusammensetzung und spezifische biochemische Vorgänge an ihrer Oberfläche, weisen sie gute osteoinduktive und -konduktive Eigenschaften, sowie ein steuerbares Degradationsverhalten auf. Für das Knochenwachstum ist neben den chemischen Eigenschaften die Struktur des Materials entscheidend. Poren mit einem Durchmesser von 100-500 µm ermöglichen ein optimales Knochenwachstum. Bioaktive Gläser waren bis jetzt nur in solider, nicht in poröser 3D-Form verfügbar. In der vorliegenden Studie wurden drei Gruppen poröser, kantenförmige 3D bioaktiver Gläser vom Typ 45S5 mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) besiedelt und in einen standardisierten in vivo Protokoll, auf die Induktion von Knochenwachstum hin, untersucht.

Methodik: Die bioaktiven Gläser unterschieden sich in dem auf ihrer Oberfläche befindlichen Trägermaterial, dass den verwendeten eine Million hMSC pro Glas, die Adhäsion ermöglichen sollte: Gelatine (Gruppe A), quervernetzte Gelatine (Gruppe B) und Poly-(3-Hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (Gruppe C). Vor der Implantation von jeweils 4 besiedelten bioaktiven Gläsern pro Gruppe in immundefiziente Mäuse erfolgte ein Microcomputertomographischer (mCT) Scan. Acht Wochen später erfolgten die Explantation und ein erneuter mCT-Scan. Mit dem Heidelberger-mCT-Analyzer wurden aus den mCT-Daten zur quantitativen Evaluation Parameter zur äußeren und inneren Beschaffenheit der bioaktiven Gläser erhoben. Histologisch wurden Hämatoxylin-Eosin, Safranin-O/Fast-Green, Touluidinblau und Pentachrom-Movat gefärbte Paraffinschnitte angefertigt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: In Gruppe A zeigte sich in der Movat-Färbung in zwei Gläsern kalzifizierter Knochen, in den anderen zwei nicht-kalzifizierte knochenähnliche Strukturen. In der B- und C-Gruppe zeigten sich kalzifizierte Knochenfragmente in jeweils einem Glas, in den anderen drei konnte kein Knochen nachgewiesen werden. Die mCT-Analyse zeigte qualitativ Knochenstrukturen in allen Gruppen. Auch die genannten Parameter veränderten sich in allen Gruppen. In Gruppe A, mit Ausnahme der Porosität, am deutlichsten. Zudem lagen bei Gruppe A mit 84% im Vergleich zu 47% bei B und 80% bei C die meisten Poren im Bereich des für Knochenbildung relevanten Durchmessers.

Die Studie konnte zeigen, dass bioaktive Gläser in poröser 3D-Form in Kombination mit hMSC, osteoinduktive Eigenschaften besitzen. Die gelatinebeschichten bioaktiven Gläser der A-Gruppe zeigten das beste osteoinduktive Potential. Aufgrund der nicht kalzfizierten Bereiche, sollte bedacht werden ob eine Standzeit von 8 Wochen ausreichend ist. Zudem sollte ein direkter Vergleich des osteoinduktiven Potentials mit den etablierten Knochenersatzstoffen wie Hydroxylapatit oder Beta-Tricalciumphosphat erfolgen.