Vergleichende In-vitro-Analyse vakuum-plasmagespritzter Titanprobenkörper - Evaluation der OPG-, Osteokalzin- und AP-Expression

Zusammenfassung

Einführung: Die vorliegende Arbeit untersuchte den Einfluss der Implantatoberflächentopographie auf die In-vitro-Expression knochenzellassoziierter Proteine und Ausbildung einer extrazellulären Matrix. Ein weiterer Aspekt war die Frage, ob eine zusätzliche Hydroxylapatitbeschichtung zusätzliche Vorteile bietet. Anhand zahlreicher positiver Erfahrungen wurde eine standardisierte humane Knochenmarkzellkultur verwendet, die der Situation in situ am ähnlichsten ist. Vakuum-plasmagespritztes Titan (VPS-Ti) wurde auf Reintitangrundkörper aufgebracht, um eine unterschiedliche Oberflächentopographie zu erzielen. Methodik: Der In-vitro-Einfluss von VPS-Ti-Oberflächen, mit einer Porosität von 25-50 %, einer Porengröße von 50-200 µm und einer Rauigkeit von 0,191-0,547 mm, auf humanen Knochenmarkszellen wurde analysiert. Als Referenzoberfläche wurde „cancellous structrured” Titan (cs-Ti) mit einer Porosität von 55 %, einer Porengröße von 500 µm und einer Rauigkeit von 0,836 mm untersucht. Als In-vitro-Untersuchungsparameter wurden die knochenzellassoziierten Proteine, wie z. B. Osteoprotegerin (OPG), Osteokalzin und die Aktivität der alkalischen Phosphatase (AP) als Ausdruck einer Osteoblastenaktivität evaluiert. Zusätzlich wurde die Ausbildung und Kalzifizierung einer extrazellulären Matrix (EZM) mit Hilfe der konfokalen Laserrastermikroskopie (CLSM) nach Markierung von Kollagen I und III sowie der konventionellen Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Ergebnisse: In vitro zeigte sich bei allen Implantaten eine deutliche Zunahme der OPG-, Osteokalzin- und AP-Expression nachweisbar. Signifikante Unterschiede waren vor allem zwischen cs-Ti und den verschiedenen VPS-Ti Oberflächen nachweisbar. Anhand der CLSM ließen sich diese Beobachtungen bestätigen. Die VPS-Ti Oberflächen zeigten eine deutlich dichtere und vermehrte EZM im Vergleich zu cs-Ti. Eine zusätzliche HA-Beschichtung schien eine schnellere Ausbildung an EZM, sowie höhere OPG-Werte zur Folge zu haben. Schlussfolgerung: Zusammenfassend übertreffen die In-vitro-Daten für VPS-Ti-Oberflächen die des cs-Ti, welches sich bereits in klinischer Anwendung befindet. Unterschiede zwischen den verschiedenen VPS-Ti-Oberflächen ließen sich nicht feststellen. Vermutlich bieten VPS-Ti-Oberflächen gute Voraussetzungen für eine erfolgreiche Einheilung in das umgebende Gewebe. Eine zusätzliche HA-Beschichtung kann diese Vorgänge positiv beeinflussen.

Abstract

Introduction: The purpose of this study was to evaluate the influence of different surface topographies on the expression of bone cell-associated proteins, such as osteoprotegerin (OPG), osteocalcin and alkaline phosphatase (AP), and the production of the extracellular matrix (ECM) in vitro. Another aspect was the question as to whether a hydroxyapatite (HA) coating offers additional advantages. Vacuum plasma-sprayed (VPS) pure titanium was used to generate different surface topographies. Materials and Methods: The in vitro response of human bone marrow cells to VPS implants (porosity ranging from 25 to 50 %, pore size ranging from 50 to 200 µm and roughness ranging from 0.191 to 0.547 mm) and cancellous structured titanium (cs-Ti) as a reference material (55 % porosity, pore size of 500 µm, roughness 0.836 mm) were compared. The expression of bone cell-associated proteins, such as OPG, osteocalcin and alkaline phosphatase (AP), was evaluated. Scanning electron microscopy (SEM) was used to judge the production of ECM. Results: All implant materials induced the release of OPG, osteocalcin and AP. Significant differences were evident between the cs-Ti and the different VPS-Ti surface structures. There was no difference in the response between the VPS-Ti surfaces. SEM showed a dense and increased production of ECM on the VPS-Ti surfaces. An additional HA coating caused a faster production of ECM and higher levels of OPG. Conclusions: The in vitro data presented here demonstrate the superiority of VPS-Ti surfaces over cs-Ti, which is already in clinical use. Differences between the VPS-Ti surfaces were not evident. Presumably, VPS-Ti surfaces offer good prerequisites for a successful integration of the implant in the surrounding tissue. An additional HA coating could influence these events positively.

Schlüsselwörter

in vitro - vakuum-plasmagespritzt - Titan - Oberflächen

Key words

in vitro - vacuum plasmasprayed - titanium - surface structure

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