Biomaterialien II: Keramiken

V46

Low-aspect ratio nanopatterns on bioinert alumina influence the response and morphology of osteoblast-like cells

I. Wittenbrink¹, A. Hausmann¹, K. Schickle¹, *I. Lauria¹, R. Davtalab¹, M. Foss¹, A. Keller¹, H. Fischer¹

¹Uniklinik RWTH Aachen, Zahnärztliche Werkstoffkunde und Biomaterialforschung, Aachen, Deutschland

Introduction:

Topographical features on the nanometer scale are known to influence cellular behavior. The response of specific cell types to various types of surface structures is currently still being investigated. Alumina ceramics play an important role as biomaterials, e.g., in medical and dental applications.

Materials and Methods:

In this study, we investigated the influence of nanoscale surface features with low aspect ratio (< 0.1) on the response of osteoblast-like MG-63 cells. To this end, low-energy ion irradiation was employed to produce shallow nanoscale ripple patterns on Al₂O₃(0001) surfaces with lateral periodicities of 24 nm and 179 nm and heights of only 0.7 and 11.5 nm, respectively.

Results and Discussion:

The nanopatterning was found to increase the proliferation of MG-63 cells and may lead to pseudopodia alignment along the ripples. Furthermore, focal adhesion behavior and cell morphology were analyzed. We found that MG-63 cells are able to recognize surface nanopatterns with extremely low vertical variations of less than 1 nm. In conclusion, it is shown that surface topography in the sub-nm range significantly influences the response of osteoblast-like cells.

References:

Accepted manuscript:

Wittenbrink et al., Biomaterials, Volume 62, September 2015, Pages 58-65

V47

Entwicklung eines Oberflächen-Designs von Biolox®delta zur Verbesserung der Osseointegration

*U. Deisinger¹, M. Götz¹, A. Rempp¹, H. Wecker¹, A. Kelnberger¹

¹CeramTec GmbH, Medical Technology, Lauf, Deutschland

Einleitung:

Im Bereich der keramischen Hüftkugeln und -pfannen, sowie bei den keramischen Knieprothesen wird Biolox® (CeramTec GmbH, Deutschland) weltweit am häufigsten eingesetzt. Seit mehr als 40 Jahren sind bisher mehr als elf Millionen Biolox® Komponenten implantiert worden. Zur Erweiterung der möglichen Einsatzbereiche ist u.a. eine Verbesserung der Osseointegration von Biolox® von großem Interesse.

Materialien und Methoden:

Dazu wurden verschiedene Oberflächenstrukturierungen von Biolox®delta in unterschiedlichen Größenordnungen (makro-, mikro- bis nanoskopisch) entwickelt. Zunächst wurden verschiedene Verfahren zur Erzeugung einer makroskopischen 2D-porösen Oberfläche untersucht und bewertet. Diese umfassten direkte Schäumungstechniken, den Ausbrand organischer Füller und mechanisch abtragende Verfahren. Durch unterschiedliche Beschichtungen konnten zusätzlich Strukturierungen im mikro- und nano-Bereich erzeugt werden. Die verschiedenen Oberflächenstrukturierungen wurden hinsichtlich ihrer Porengröße und -tiefe sowie ihrer Mikrostruktur charakterisiert.

Ergebnisse und Diskussion:

In vitro-Analysen umfassten Testungen der verschiedenen Oberflächenstrukturierungen mit mesenchymalen Stammzellen und primären humanen Osteoblasten. Hierbei konnte ein verstärktes Zellwachstum und hohe Zellaktivitäten auf den Biolox®delta-Oberflächen festgestellt werden.

Ausgewählte Oberflächenstrukturierungen wurden in vivo im Schafmodell hinsichtlich ihrer Osseointegration getestet. Nach 12 Wochen wurden biomechanische sowie histologische Analysen durchgeführt. Dabei konnte ein positiver Einfluss der Oberflächenstrukturierung auf die Osseointegration und Knochenheilung nachgewiesen werden.

Diese Entwicklungen liefern die Grundlage für die erfolgreiche Übertragung in neue Produkte, wie z.B. fusion cages in der Wirbelsäulenchirurgie.

V48

Neuartige chemisch-biologische Oberflächenfunktionalisierung zur spezifischen Proteinankopplung an inerten Hochleistungskeramiken zur verbesserten und schnelleren Gewebeeinheilung

*F. Böke¹, N. Labude², S. Neuss², H. Fischer¹

¹Universitätsklinikum Aachen, Biomaterialforschung, Aachen, Deutschland

²Universitätsklinikum Aachen, Institut für Pathologie, Aachen, Deutschland

Einleitung:

Implantate aus Hochleistungskeramik sind seit vielen Jahren fester Bestandteil im Bereich des Gelenkersatzes und der Knochenrekonstruktion. Aufgrund ihrer unzureichenden Gewebeintegration sind diese Materialien allerdings in ihrem Einsatz nicht beliebig auf andere Anwendungsgebiete übertragbar. Durch eine biologische und chemische Aktivierung der keramischen Oberfläche, hin zur Rekrutierung von Proteinen und Zellen, könnten weitere Einsatzfelder geschaffen werden. Damit diese Aktivierung zu ermöglicht wird, muss die Oberfläche chemisch-biologisch modifiziert werden, um eine vielseitige biologische Funktionalisierung zu ermöglichen, welche im Anschluss die Gewebeintegration maßgeblich begünstigt.

Materialien und Methoden:

Durch physikalisches und chemisches Aufdampfen wurden auf Al₂O₃, ZrO₂, ZTA und ATZ-Keramiken haftfeste SiO_x-Schichten im 100 nm-Bereich abgeschieden. Auf dieser Silikatschicht wurden im Anschluss spezifische Silane in Monoschichten angekoppelt. Hierdurch wurden auf der Substratoberfläche Amino- und Sulfhydrylgruppen aufgebracht, sowie definierte bifunktionalisierte Oberflächen aus beiden erzeugt. Die erfolgreiche Funktionalisierung wurde durch XPS-Messungen nachgewiesen. Über spezifische Crosslinker wurden adhäsionsvermittelnde und chemotaktisch wirkende Proteine kovalent angekoppelt. Die erfolgreiche Proteinankopplung wurde durch radioaktive I¹²⁵-marker Iodierung sowie über Gold-Antikörper im Rasterelektronenmikroskop nachgewiesen. In Simulated-Body-Fluid- (SBF) sowie Zellkulturversuchen wurden Hydrolyse-Beständigkeit und Zytokompatibilität gegenüber humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) nachgewiesen.

Ergebnisse und Diskussion:

Die Haftfestigkeit der aufgebrachten SiO_x-Schicht betrug 15,1 MPa. Amino- und Sulfhydryl funktionalisierte Oberflächen konnten mittels XPS mit jeweils ca. 5 % Oberflächendichte eindeutig nachgewiesen werden. Bi-funktionalisierte Oberflächen (-NH₂/-SH) konnten im Verhältnis von 1:1 reproduzierbar erzeugt werden. Durch Crosslinking konnten die Adhäsionsproteine in signifikant höherer Zahl zu unspezifischer Adhäsion immobilisiert werden. Chemotaktisch wirkende Proteine konnten in Konzentrationen von 5 ng/cm² gebunden werden. Für beide Proteintypen sowie für die unterliegende Oberfläche wurde eine uneingeschränkte Zytokompatibilität festgestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine definierte chemische und biologische Aktivierung von Hochleistungskeramik-Oberflächen durch Ankopplung von Proteinen in definierten Konzentrationen maßgeschneiderte Implantat-Überzüge generiert werden können. Hierdurch wird eine Biologisierung von ursprünglich inertem Material möglich und simultan präzise einstellbar. In einem nächsten Schritt werden die erfolgreich angekoppelten Proteine hinsichtlich ihrer Aktivität und ihres Effektes auf angesiedelte Zellen untersucht. Weiterhin ist geplant, die funktionalisierten und biologisch beladenen Oberflächen in diesem durch das BMBF geförderten Verbundprojekt in Tierversuchsstudien hinsichtlich ihrer In-Vivo Aktivität zu evaluieren. Bei erfolgreicher Evaluierung der vorgestellten Funktionalisierungs- und Biologisierungstechnik könnte eine Vielzahl neuer Applikationen für keramische Implantate mit direktem Gewebekontakt ermöglicht werden.