Zentralbl Chir 2015; 140(2): 170-178
DOI: 10.1055/s-0033-1351003
Originalarbeit
Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Herstellung und In-vitro-Analyse einer Polyethylenimin-Beschichtung auf Herniennetzen

Preparation and In-Vitro Analysis of a Polyethylenimine Coating on Hernia Meshes
H. Scheuerlein
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
J. Erdmann
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
F. Rauchfuss
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
Y. Dittmar
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
K. Jandt
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
K. D. Jandt
2   Lehrstuhl für Materialwissenschaft, Physikalisch-Astronomische Fakultät, Jena, Germany
,
U. Settmacher
1   Klinik für Allgemein-, Viszeral- und Gefäßchirurgie, Universitätsklinikum Jena, Deutschland
,
S. Zankovych
2   Lehrstuhl für Materialwissenschaft, Physikalisch-Astronomische Fakultät, Jena, Germany
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Publication History

Publication Date:
17 December 2013 (online)

Zusammenfassung

Hintergrund: Bestimmte Beschichtungen wie etwa Titan können die Biokompatibilität von Herniennetzen verbessern. Beschichtungen mit Biopolymeren wie Polyethylenimin (PEI) können ebenfalls die Materialeigenschaften von Implantaten verbessern, dieser Ansatz wurde aber bisher noch nicht an Herniennetzen untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Klärung der Frage, ob und wie Herniennetze mit ihrer 3-dimensionalen Struktur erfolgreich mit PEI beschichtet werden können und mit welchen Verfahren sich diese Beschichtung am besten nachweisen lässt.
Methoden: Handelsübliche Netze aus Polypropylen, Polyester und ePTFE wurden mit PEI beschichtet. Die Beschichtung wurde durch einen Zytotoxizitäts- und Zellproliferationstest, die konfokale Laser-Scanning- und Elektronenmikroskopie sowie Röntgenfotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert.
Ergebnisse: Die Oberflächenmodifikation durch PEI lässt Mausfibroblasten schneller und zahlreicher auf der Netzoberfläche anwachsen. Aufgrund der 3-dimensionalen Netzstruktur zeigten sowohl die XPS als auch die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie Schwächen in der Durchführbarkeit und Aussagekraft, wobei die XPS insgesamt bessere Resultate lieferte. Der elektronenmikroskopische Zellnachweis ist nicht gelungen. Im Zytotoxizitätstest fand sich kein Hinweis für eine Zellschädigung über 24 Stunden.
Schlussfolgerung: Die hier vorliegenden Ergebnisse zeigen erstmalig, dass eine PEI-Beschichtung von Herniennetzen möglich und effektiv ist. Die PEI-Beschichtung kann schnell und kostengünstig realisiert werden. Bis eine solche Beschichtung allerdings in der klinischen Routine zum Einsatz kommen kann, sind weitere Untersuchungen sowohl hinsichtlich der Beschichtungsqualität als auch der Zytotoxizität notwendig. Insgesamt stellt PEI ein vielversprechendes Polymer dar, dessen Potenzial im Hinblick auf die Beschichtung medizinischer Implantate weiterer Forschung wert ist.

Abstract

Background: Certain coatings such as titanium may improve the biocompatibility of hernia meshes. The coating with biopolymers such as polyethylenimine (PEI) can also improve the material characteristics of implants. This approach has, however, not yet been explored. Thus, it was the aim of the present work to clarify if and how hernia meshes with their three-dimensional structure can be successfully coated with PEI and with which technique this coating can be best analysed.
Methods: Commercially available meshes made from polypropylene, polyester and ePTFE have been coated with PEI. The coating was analysed via cell proliferation test (mouse fibroblasts), electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and fluorescence microscopy. Cell viability and cytotoxicity were tested by the MTT test.
Results: With the PEI surface modification, mouse fibroblasts grow faster and in greater numbers on the mesh surface. XPS as well as fluorescence microscopy show weaknesses in their applicability and meaningfulness because of the three-dimensional mesh structure while XPS showed overall better results. Optical proof in the electron microscope after cell fixation was not unambiguously accomplished with the techniques used here. In the MTT test, no cellular damage from the PEI coating was detected after 24 hours.
Conclusion: The present results show for the first time that PEI coating of hernia meshes is possible and effective. The PEI coating can be achieved in a fast and cost-efficient way. Further investigations are necessary with respect to coating quality and cytotoxicity before such a coating may be used in the clinical routine. In conclusion, PEI is a promising polymer that warrants further research as a coating for medical implants.

 
  • Literatur

  • 1 Simons MP, Aufenacker T, Bay-Nielsen M et al. European Hernia Society guidelines on the treatment of inguinal hernia in adult patients. Hernia 2009; 13: 343-403
  • 2 Alfieri S, Amid PK, Campanelli G et al. International guidelines for prevention and management of post-operative chronic pain following inguinal hernia surgery. Hernia 2011; 15: 239-249
  • 3 Jaenigen BM, Hopt UT, Obermaier R. [Inguinal hernia: mesh or no mesh in open repair?]. Zentralbl Chir 2008; 133: 440-445
  • 4 Seker D, Kulacoglu H. Long-term complications of mesh repairs for abdominal-wall hernias. J Long Term Eff Med Implants 2011; 21: 205-218
  • 5 Scheidbach H, Wolff S, Lippert H. [Meshes in abdominal wall surgery – an overview]. Zentralbl Chir 2011; 136: 568-574
  • 6 Junge K, Binnebosel M, von Trotha KT et al. Mesh biocompatibility: effects of cellular inflammation and tissue remodelling. Langenbecks Arch Surg 2012; 397: 255-270
  • 7 Gruber-Blum S, Petter-Puchner AH, Brand J et al. Comparison of three separate antiadhesive barriers for intraperitoneal onlay mesh hernia repair in an experimental model. Br J Surg 2012; 98: 442-449
  • 8 Berger D. Was gibt es Neues zur Narben- und parastomalen Hernie?. In: Meßmer K, Jähne J, Königsrainer A, et al., Hrsg. Was gibt es Neues in der Chirurgie?. Hamburg: Ecomed Medizin; 2012: 140
  • 9 Badiou W, Lavigne JP, Bousquet PJ et al. In vitro and in vivo assessment of silver-coated polypropylene mesh to prevent infection in a rat model. Int Urogynecol J 2011; 22: 265-272
  • 10 Scheidbach H, Tannapfel A, Schmidt U et al. Influence of titanium coating on the biocompatibility of a heavyweight polypropylene mesh. An animal experimental model. Eur Surg Res 2004; 36: 313-317
  • 11 Lakard S, Morrand-Villeneuve N, Lesniewska E et al. Synthesis of polymer materials for use as cell culture substrates. Electrochimica Acta 2007; 53: 1114-1126
  • 12 Lakard S, Herlem G, Valles-Villareal N et al. Culture of neural cells on polymers coated surfaces for biosensor applications. Biosens Bioelectron 2005; 20: 1946-1954
  • 13 Niepel MS, Peschel D, Sisquella X et al. pH-dependent modulation of fibroblast adhesion on multilayers composed of poly(ethylene imine) and heparin. Biomaterials 2009; 30: 4939-4947
  • 14 Hu C, Peng Q, Chen F et al. Low molecular weight polyethylenimine conjugated gold nanoparticles as efficient gene vectors. Bioconjug Chem 2010; 21: 836-843
  • 15 Lelong IH, Petegnief V, Rebel G. Neuronal cells mature faster on polyethyleneimine coated plates than on polylysine coated plates. J Neurosci Res 1992; 32: 562-568
  • 16 Prokop A. Intracellular Delivery – Fundamentals and Applications. Berlin, Heidelberg: Springer; 2011
  • 17 Drake CR, Aissaoui A, Argyros O et al. Bioresponsive small molecule polyamines as noncytotoxic alternative to polyethylenimine. Mol Pharm 2010; 7: 2040-2055
  • 18 Gao X, Yao L, Song Q et al. The association of autophagy with polyethylenimine-induced cytotoxicity in nephritic and hepatic cell lines. Biomaterials 2011; 32: 8613-8625
  • 19 Grandinetti G, Smith AE, Reineke TM. Membrane and nuclear permeabilization by polymeric pDNA vehicles: efficient method for gene delivery or mechanism of cytotoxicity?. Mol Pharm 2012; 9: 523-538
  • 20 Huh SH, Do HJ, Lim HY et al. Optimization of 25 kDa linear polyethylenimine for efficient gene delivery. Biologicals 2007; 35: 165-171
  • 21 Moghimi SM, Symonds P, Murray JC et al. A two-stage poly(ethylenimine)-mediated cytotoxicity: implications for gene transfer/therapy. Mol Ther 2005; 11: 990-995
  • 22 Hunter AC, Moghimi SM. Cationic carriers of genetic material and cell death: a mitochondrial tale. Biochim Biophys Acta 2010; 1797: 1203-1209
  • 23 Kerspe JH. Aufgaben und Verfahren in der Oberflächenbehandlung. Renningen: Expert; 2000
  • 24 Wintermantel E, Ha SW. Medizintechnik Life Science Engineering. Berlin, Heidelberg: Springer; 2008
  • 25 Yang YF, Wan LS, Xu ZK. Surface hydrophilasation of microporous polypropylene membrane by the interfacial crosslinking of polyethylenimine. J Membr Sci 2009; 337: 70-80
  • 26 Ardenne M. Effekte der Physik und ihre Anwendungen. Frankfurt am Main: Wissenschaftlicher Verlag Harri Deutsch; 2005
  • 27 Förch R, Schönherr H, Jenkins ATA. Surface Design: Applications in Bioscience and Nanotechnology. Weinheim: Wiley-VCH; 2009
  • 28 Briggs D. Surface analysis of polymers by XPS and static SIMS. Cambridge: Cambridge University Press; 1998
  • 29 Sun XF, Wang SG, Cheng W et al. Enhancement of acidic dye biosorption capacity on poly(ethylenimine) grafted anaerobic granular sludge. J Hazard Mater 2011; 189: 27-33
  • 30 Weyhe D, Hoffmann P, Belyaev O et al. The role of TGF-beta1 as a determinant of foreign body reaction to alloplastic materials in rat fibroblast cultures: comparison of different commercially available polypropylene meshes for hernia repair. Regul Pept 2007; 138: 10-14
  • 31 Lakard S, Herlem G, Propper A et al. Adhesion and proliferation of cells on new polymers modified biomaterials. Bioelectrochemistry 2004; 62: 19-27
  • 32 Liu B, Ma J, Gao E et al. Development of an artificial neuronal network with post-mitotic rat fetal hippocampal cells by polyethylenimine. Biosens Bioelectron 2008; 23: 1221-1228
  • 33 Liu ZM, Lee SY, Sarun S et al. Immobilization of poly (ethylene imine) on poly (L-lactide) promotes MG63 cell proliferation and function. J Mater Sci Mater Med 2009; 20: 2317-2326
  • 34 Altankov G, Albrecht W, Richau K et al. On the tissue compatibility of poly(ether imide) membranes: an in vitro study on their interaction with human dermal fibroblasts and keratinocytes. J Biomater Sci Polym Ed 2005; 16: 23-42
  • 35 Brunot C, Ponsonnet L, Lagneau C et al. Cytotoxicity of polyethyleneimine (PEI), precursor base layer of polyelectrolyte multilayer films. Biomaterials 2007; 28: 632-640
  • 36 Gonzalez R, Fugate K, McClusky 3rd D et al. Relationship between tissue ingrowth and mesh contraction. World J Surg 2005; 29: 1038-1043
  • 37 Huber A, McCabe GP, Boruch AV et al. Polypropylene-containing synthetic mesh devices in soft tissue repair: a meta-analysis. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2012; 100: 145-154
  • 38 Novitsky YW, Cristiano JA, Harrell AG et al. Immunohistochemical analysis of host reaction to heavyweight-, reduced-weight-, and expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE)-based meshes after short- and long-term intraabdominal implantations. Surg Endosc 2008; 22: 1070-1076
  • 39 Voskerician G, Gingras PH, Anderson JM. Macroporous condensed poly(tetrafluoroethylene). I. In vivo inflammatory response and healing characteristics. J Biomed Mater Res A 2006; 76: 234-242
  • 40 Jacob DA, Schug-Pass C, Sommerer F et al. Comparison of a lightweight polypropylene mesh (Optilene® LP) and a large-pore knitted PTFE mesh (GORE® INFINIT® mesh)–Biocompatibility in a standardized endoscopic extraperitoneal hernia model. Langenbecks Arch Surg 2012; 397: 283-289
  • 41 Klinge U, Klosterhalfen B, Muller M et al. Foreign body reaction to meshes used for the repair of abdominal wall hernias. Eur J Surg 1999; 165: 665-673
  • 42 Gonzalez R, Ramshaw BJ. Comparison of tissue integration between polyester and polypropylene prostheses in the preperitoneal space. Am Surg 2003; 69: 471-476
  • 43 Kapischke M, Prinz K, Tepel J et al. Precoating of alloplastic materials with living human fibroblasts–a feasibility study. Surg Endosc 2005; 19: 791-797
  • 44 Langer C, Schwartz P, Krause P et al. [In-vitro study of the cellular response of human fibroblasts cultured on alloplastic hernia meshes. Influence of mesh material and structure]. Chirurg 2005; 76: 876-885
  • 45 Weyhe D, Belyaev O, Buettner G et al. In vitro comparison of three different mesh constructions. ANZ J Surg 2008; 78: 55-60
  • 46 Guo QF, Liu TT, Yan X et al. Synthesis and properties of a novel biodegradable poly(ester amine) copolymer based on poly(L-lactide) and low molecular weight polyethylenimine for gene delivery. Int J Nanomedicine 2011; 6: 1641-1649
  • 47 Morra M, Cassinelli C. Surface studies on a model cell-resistant system. Langmuir 1999; 15: 4658-4663
  • 48 Segut O. Electrochemically deposited polyethyleneimine films and their characterization. Synthetic Metals 2010; 160: 1359-1364
  • 49 Rost FWD. Flourescence Microscopy. Cambridge: Cambridge University Press; 1995
  • 50 Brunot C, Grosgogeat B, Picart C et al. Response of fibroblast activity and polyelectrolyte multilayer films coating titanium. Dent Mater 2008; 24: 1025-1035
  • 51 Heurich E, Zankovych S, Beyer M et al. A comparison of the cell compatibility of poly(ethyleneimine) with that of other cationic biopolymers used in applications at biointerfaces. Adv Eng Mater 2011; 13: B285-B295