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Fragestellung: Die Fixierung und Funktion von Endoprothesen ist abhängig von ihrer Verankerung im nativen Knochen. Ein innovatives laserbasiertes Verfahren zur Modifikation von Metalloberflächen aus der Luft- und Raumfahrttechnik ermöglicht eine reproduzierbare Erzeugung von Kavitäten im Nanometerbereich (5-100 nm) (Kurtovic et al. 2013). In dieser Studie wurde der Einfluss dieser Oberflächenmodifikation in-vitro und in-vivo für einen möglichen Einsatz in der Endoprothetik analysiert.

Methodik: In-vitro wurden primäre humane Osteoblasten (pHOB) für 3-28 Tage auf Titan-Scheiben mit Titan-Niob-Nitrit (TiNbN) Beschichtung bzw. Titanplasmaspray (TPS) Beschichtung, jeweils mit oder ohne zusätzlicher Laser-Nanostrukturierung (nano), kultiviert. Bestimmt wurden die Zellviabilität und die Zellproliferation. Die Oberflächen- und Zellmorphologie wurde rasterelektronenmikroskopisch beurteilt. Die Osteoblastenaktivität wurde anhand der Expression der Osteoblastenmarker OPG, OPN, OCN, Pro-COL und BALP analysiert. Die Mineralisierung der Zellen wurde über die relative Quantifizierung an abgelagertem Hydroxylapatit bestimmt.

In-vivo wurden Titanzylinder mit entsprechenden Oberflächenmodifikationen im distalen medialen Femur von 40 New Zealand white rabbits mit Standzeiten von 0, 28 und 56 Tagen implantiert. Es erfolgten Röntgenaufnahmen, histomorphometrische Untersuchungen und pull-out Testungen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die nano Oberflächen zeigten keinen negativen Einfluss auf die Zellviabilität (97,7 % - 123,8 %), während die Proliferation jedoch signifikant inhibiert wurde (p < 0,001). Die nano Oberflächen beeinflussten die osteoblastäre Genexpression, insbesondere von Runx2 und Osterix, nur geringfügig (p >= 0,119). Die Sekretion osteoblastärer Proteine, wie z. B. OCN und Pro-COL wurden ebenso wie die BALP-Aktivität vielfach durch nano Oberflächen signifikant gesteigert (p <= 0,011).

In-vivo kam es nach 28 und 56 Tagen in allen Fällen zur Osteointegration ohne Infektion. Die pull-out Testung zeigte eine signifikante Steigerung der Stabilität von unstrukturierten TPS und TiNbN Oberflächen von Tag 0 nach Tag 28 (TPS: 124,4 ± 35,8 N vs 580,0 ± 71,1 N, p<0.001; TiNbN: 72,9 ± 6,6 N vs. 150,4 ±58,5 N, p<0.001). Ausrisskräfte bei TPS Oberflächen waren signifikant höher nach 28 und 56 Tagen im Vergleich zu TiNbN Oberflächen (p < = 0,001). Die zusätzliche nano Strukturierung zeigte keine signifikanten Auswirkungen nach 0, 28 und 56 Tagen (p >= 0,917).

Zusammenfassend zeigte sich in-vitro eine vielversprechende Wirkung der Laser-Nanostrukturierung bei erhöhter Sekretion osteoblastenspezifischer Proteine.

In-vivo konnte im Kaninchenmodell eine ungestörte Biokompatibilität gezeigt werden, wobei die Laser-Nanostrukturierung der untersuchten Oberflächenmodifikationen nicht zu einer erhöhten Ausrisskraft führte. Die Laser-Nanostrukturierung ist technisch umsetzbar und könnte als Basis für additive funktionalisierte Oberflächenmodifikationen in der Endoprothetik genutzt werden.