In Vitro Testsystem zur Beurteilung von Implantatmaterialien

Fragestellung Vor der chirurgischen Anwendung werden neuartige Implantatmaterialien in vitro und in vivo getestet, um Sicherheit und Funktionalität zu gewährleisten. Die Übertragbarkeit zwischen prä-klinischen und klinischen Ergebnissen ist jedoch häufig eingeschränkt. Um die Vorhersagekraft prä-klinischer Testungen zu erhöhen, wurde ein biomimetisches in vitro Testsystem entwickelt, welches die Wundnische nach Implantatsetzung nachahmt.

Methodik Um neuartige Implantatmaterialien oder Materialmodifikationen zu testen, haben wir ein biomimetisches in vitro Testsystem entwickelt, welches aus zwei aufeinanderfolgenden Stufen aufgebaut ist: Biomineralisierung (Stufe 1) und Osseointegration (Stufe 2). Zunächst wurden humanes Blutplasma, M2 Makrophagen und stromale Stammzellen des Knochenmarks auf die zu testenden Implantatmaterialien appliziert, um die dreidimensionale Wundumgebung nach Implantatsetzung zu simulieren. Die Proben wurden 28 Tage lang kultiviert und anschließend auf metabolische Aktivität (MTT Assay) und Biomineralisierung (Alizarinrot Assay) analysiert. Stufe 2 der Testung beinhaltete zusätzlich ein zellinfiltriertes Knochenersatzmaterial, um die Osseointegration (F_max Messung) zwischen Implantatmaterial und Knochen im in vitro Setup ermitteln zu können. Die Validierung des entwickelten Testsystems erfolgte anhand Testung Titan-basierter Standardmaterialien sowie neuartiger Implantatmaterialien. Statistische Auswertung beinhaltete Überprüfung auf Ausreißer und Nachweis auf Normalverteilung, und Anwendung von T-Test für unverbundene Stichproben (normalverteilte Werte) oder Mann-Whitney-Test (nicht normal verteilte Werte).

Ergebnisse und Schlussfolgerung Das entwickelte Testsystem für Implantatmaterialien ermöglichte die Quantifizierung der Biomineralisierung auf der Implantatoberfläche und der funktionellen Stabilität der Grenzfläche zwischen mineralisiertem Biomaterial und Gewebe. Humanes Blutplasma, M2 Makrophagen und stromale Stammzellen des Knochenmarks erwiesen sich als essentielle Komponenten für eine prädiktive Beurteilung der Implantatmaterialien im in vitro Setup. Biokompatibilität wurde für alle untersuchten Implantatmaterialien nachgewiesen, wohingegen die Menge an abgelagerter extrazellulärer Matrix und deren mechanische Stabilität Material-abhängig unterschiedlich war. Die höchste Menge funktioneller Biomineralisierung wurde für Implantatoberflächen mit einer speziellen Kohlenstoffbeschichtung nachgewiesen.

Als ethische Alternative zu Tierversuchen bietet das entwickelte in vitro Testsystem für Implantatmaterialien eine ökonomische mid-throughput Beurteilung neuartiger Implantatmaterialien und Materialmodifikationen, indem zwei aufeinanderfolgende Teststufen Anwendung finden: Biomineralisierung und Osseointegration.

Stichwörter Implantat; Testsystem; in vitro; Osseointegration

Publication History

Article published online:
15 October 2020