Klinische Anwendung von Biomaterialien

P36

Endothelialisierung von modifizierten Membranoberflächen unter dynamischen Bedingungen und upscaling auf die Membranoberfläche einer künstlichen Lunge

*K. Linke¹, A. Wenz², M. Schandar¹, F. Metzger³, E. Novosel³, J. Schneider³, P. Kluger^1,4

¹Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, Stuttgart, Deutschland

²University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology IGVP, Stuttgart, Deutschland

³Novalung, Heilbronn, Deutschland

⁴Reutlingen University, Process Analysis & Technology, Reutlingen, Deutschland

Einleitung:

Für Patienten mit akutem Atemversagen, die insbesondere unter dem Acute Respiratory Dystress Syndrome (ARDS) leiden, ist die Verfügbarkeit extrakorporaler Lungenunterstützungssysteme für eine ausreichende Sauerstoffzufuhr und CO₂-Entfernung lebensnotwendig. Aufgrund der thrombogenen Eigenschaften bisher verwendeter Membranmaterialien in Gasaustauschern für die extrapulmonale Lungenunterstützung besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit der Bildung von Thromben, die nachweislich den Gasaustausch reduzieren und die Lebensdauer des Materials und damit die Entlastung der Lunge verkürzen.

Materialien und Methoden:

Unmodifizierte und modifizierte Polymethylpenten (PMP) Membranen wurden mit humanen adulten Endothelzellen besiedelt. Nach Adhäsion der Zellen auf der Oberfläche wurden die Membranen in eine Durchflusskammer eingesetzt und unter dynamischen Bedingungen bis zu 14 Tage kultiviert. Als Kontrolle diente eine mit Endothelzellen besiedelte und statisch kultivierte Membran. Abschließend wurde ein kompletter Membranventilator (künstliche Lunge) mit den Endothelzellen besiedelt und unter dynamischen Bedingungen kultiviert. Die Beurteilung der Zellen erfolgte über die Analyse der Vitalität, Funktion, Besiedelungsdichte und Expression Endothelzellspezifischer Marker. Als Methoden wurden Lebend-Tot Färbung, LDL-Aufnahme, Immunfluoreszenzfärbung von Vimentin, PECAM-1, VE-Cadherin, VCAM-1 und Thrombomodulin herangezogen.

Ergebnisse und Diskussion:

Sowohl unter statisch als auch dynamischen Bedingungen konnte auf den Membranen die Adhäsion vitaler Endothelzellen gezeigt werden. Die Besiedelungsdichte der Membranen war vom Ausgangsmaterial und von der modifizierten Oberfläche abhängig, dennoch waren vollständig besiedelte Bereiche nachweisbar. Die Identität der Endothelzellen konnten über die Expression von PECAM-1 sowie die Ausbildung von Zell-Zell Kontakten über die Expression von VE-Cadherin nachgewiesen werden. Die Funktionalität der Zellen wurde anhand der LDL-Aufnahme gezeigt. Unter dynamischen Bedingungen exprimierten die Endothelzellen sowohl antithrombogene (Thrombomodulin) als auch thrombogene (VCAM-1) Marker.

In den Experimenten konnten die Endothelzellen unter statischen und dynamischen Bedingungen erfolgreich auf den Membranen kultiviert werden. Für die Besiedelung eines Membranventilators waren bis zu 100 Millionen Endothelzellen notwendig. Um die notwendige Zellzahl und Adhäsionszeit zu reduzieren ist eine Modifikation der Membranoberflächen notwendig, gleichzeitig muss gewährleistet werden, dass ein geschlossener antithrombogener Zelllayer erhalten wird, der auch unter dynamischen Bedingungen bei hohen physiologischen Durchflussgeschwindigkeiten stabil bleibt.

P37

Dual Setting Calcium Phosphate Cement for Minimally Invasive Treatment of Calcaneus Fractures

*T. Christel¹, S. Hoelscher-Doht², U. Gbureck¹, M. Jordan²

¹Universitätsklinikum Würzburg, Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und Zahnheilkunde, Würzburg, Deutschland

²Universitätsklinikum Würzburg, Klinik und Poliklinik für Unfall-, Hand-, Plastische u. Wiederherstellungschirurgie, Würzburg, Deutschland

Introduction:

Calcaneus fracture has provoked numerous changes in therapeutic concepts. Some issues that may occur after current surgery methods are damage of soft tissue, loss of reposition, posttraumatic arthrosis, infection or revision ¹. A minimally invasive, augmentable osteosynthesis could improve the treatment quality ², but requires drillable bone cements. Calcium phosphate cements (CPC) are well established, but conventional hydroxyapatite forming CPC tend to fail by brittle fracture and have long setting times ³. The combination of a CPC with hydrogel forming monomers (2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA) shortens the setting time and improves the fracture toughness ³. We assume that such a cement system could be used for the augmentation of calcaneus fragments and simultaneous stabilization via (plate) osteosynthesis.

Materials and Methods:

α-Tricalcium phosphate cement was used as model in this study. The liquid phase consisted of 50 % HEMA and 0.25 % tetramethylethylendiamine, while 0.5 % ammonium persulfate was added to the cement powder. Both phases were mixed with different powder-to-liquid ratios (PLR) and transferred into prismatic molds. After 10 min, a bone screw and steel plate were positioned. The construct was stored in phosphate buffered saline at 37 °C for 3 d and the pull-out resistance was measured.

Results and Discussion:

We evaluated the suitability of the described cement system as drillable bone substitute. Depending on the PLR, it was injectable for 2 to 5 min through a 2 mm needle approving its applicability during a minimally invasive procedure. Cements with a PLR of 1.6 g/mL as well as 2.0 g/mL could be drilled after 10 min without impairing the cement matrices or the need of a tap. Cements with the higher PLR showed a doubling of the pull-out resistance compared to 1.6 g/mL samples. Further experiments shall deal with the long-term deposition of the screw-cement constructs and the testing of less abstract calcaneus fracture models (Fig. 1).

Acknowledgements: The authors acknowledge financial support from the Interdisciplinary Center for Clinical Science (IZKF) Würzburg.

References:

1. Zwipp H. et al., Oper. Orthop. Traumatol. 25:554-568, 2013

2. Rausch S. et al., Int. Orthop. 38:1705-1710, 2014

3. Christel T. et al., J. Mater. Sci.-Mater. Med. 24:573-581, 2013

Figure 1

Fig. 1:

Osteosynthesis techniques (A, C: Sanders plate; B, D: screw fixation) using CPC (C, D).