Untersuchungen zu verschiedenen Füllungskomponenten eines porösen, keramischen Knochenersatzstoffes auf Basis von TiO2 und Glas und deren Auswirkungen auf das Einwachsverhalten in vitales Knochengewebe

Herren, Christian; Erli, Hans Josef Ludwig

doi:29877

Untersuchungen zu verschiedenen Füllungskomponenten eines porösen, keramischen Knochenersatzstoffes auf Basis von TiO2 und Glas und deren Auswirkungen auf das Einwachsverhalten in vitales Knochengewebe = Biomimetic modification of a novel TiO2/glass composite Ecopore with heparinized collagen and the osteoinductive factor BMP-2

Herren, Christian (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Herren

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang87 S. : Ill.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Erli, Hans Josef Ludwig (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-02-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31649
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51565/files/Herren_Christian.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Orthopädie und Unfallchirurgie - Schwerpunkt Unfallchirurgie (533500-3 ; 931510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Keramik (Genormte SW) ; Knochenersatz (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; BMP-2 (frei) ; offen-porös (frei) ; collagen (frei) ; open-porous (frei) ; ceramic (frei) ; bone substitution (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Der Ersatz von Knochengewebe wird nötig bei traumatischer Gewebszerstörung, nach degenerativen Prozessen des passiven Bewegungsapparates und letztendlich bei allen endoprothetischen Eingriffen wie z.B. dem alloarthroplastischen Gelenkersatz. Besonders in der Entwicklung von offen-porösen Keramiken stellen die unterschiedlichen Anwendungsgebiete im Bereich des Knochersatzes immer noch eine Herausforderung dar. Es stehen mittlerweile 2 große Alternativen zur Wahl, die je nach Indikation verwendet werden: Zum einen der autogene Knochenersatz mit der besten biologischen Aktivität, jedoch limitierten Verfügbarkeit; dem gegenüber steht der große Bereich des alloplastischen Knochenersatzes, der unterschieden werden kann in biologische und nicht-biologische Implantate. Besonders im Bereich der offen-porösen Keramiken lassen sich Oberflächenmodifikation bzw. Füllungen des Porensystems mit bioaktiven Substanzen nutzen, um das Einbauverhalten des Implantats in Knochengewebe zu verbessern. Der im Rahmen eines Projektversuchs des IZKF für Biomaterialien der RWTH Aachen University, Deutschland, entwickelte keramische Werkstoff Ecopore auf Basis von Titanoxid (TiO2) und Glas (Perlit) diente ursprünglich als Katalysatorersatz in der Abgastechnik. In einem Gemeinschaftsprojekt in Zusammenarbeit mit der unfallchirurgischen Klinik des Universitätsklinikums Aachen sowie des IKKM (Institut für keramische Komponenten) der RWTH Aachen University, Deutschland, wurde die Grundidee des Porensystems aufgefasst mit dem Ziel des Einsatzes von Ecopore als Knochenersatzstoff. Im Rahmen des Studienprojekts wurde der Werkstoff Ecopore mit verschiedenen Oberflächen- bzw. Füllungsmodifikationen verändert, um mögliche positive Veränderungen auf die Knochenapposition zu untersuchen. Seine Grundeigenschaften in Bezug auf physikalische, chemische und biologische Aspekte haben ihn in Vorversuchen als geeignet für die Entwicklung des Knochenersatzes erscheinen lassen. Ziel dieser Arbeit ist nun, das Wachstum von Knochengewebe im in vivo Versuch zu untersuchen und durch verschiedene Ansätze herauszufinden, in wie weit Füllungsoptionen das Einwachsverhalten von Knochengewebe in den offen-porösen Zylinder steigern können. Hierzu stand in fünf verschiedenen Ansätzen unmodifiziertes Ecopore (E), ein Ecopore-Kollagen-Hybrid (E/K) sowie ein mit BMP-2 kombinierter E/K-Hybrid zur Verfügung, dessen Porensystem im letzten Ansatz zusätzlich heparinisiert wurde. Bei BMP-2 handelt es sich um einen osteoinduktiven Faktor, dessen Anwesenheit das Einwachsverhalten von Knochen in den Porenzylinder verbessern sollte. Die Kombination mit Kollagen war nötig, um BMP-2 im Porenzylinder binden zu können – die Heparinisierung sollte hierbei einen zeitverzögerten Effekt haben. Im Tiermodell wurden nun diese fünf unterschiedlichen Ansätze in die medialen Kondylen von Kaninchen-Femora implantiert. Während der Standzeit von 42 Tagen erfolgte wöchentlich eine Fluoreszenzmarkierung mit zwei verschiedenen Farbstoffen, um den ein- bzw. anwachsenden Knochen zu markieren. Nach Opferung der Tiere wurden Dünnschliffe der Präparate hergestellt und mikroskopisch untersucht; hierbei fehlten alle Indizien für entzündliche Vorgänge im Gewebe. In jedem Präparat konnte Knochengewebe klar vom Implantatwerkstoff differenziert werden. Zur Quantifizierung des eingebauten Knochengewebes erfolgt die Analyse mittels EDX, einer Methode zur Darstellung der einzelnen Phasen im Präparat. Hier ergab sich das erwartete Bild: Die Kombination von Ecopore mit dem osteinduktiven Faktor BMP-2, Kollagenschwamm und zusätzlicher Heparinisierung ließ eine signifikant höhere Apposition von Knochengewebe in den Porenzylinder zu als der Vergleichsansatz mit unmodifiziertem Ecopore. Dies zeigte sich auch in der Betrachtung unter dem Fluoreszenzmikroskop – beide BMP-2-beladenen Ansätze wiesen eine erhöhte Einwachsgeschwindigkeit von Knochengewebe im Vergleich zu den anderen Ansätzen auf. Zusammenfassend ist der Werkstoff Ecopore in seiner Herstellung einfach und leicht verfügbar. Er zeichnet sich durch seine grundsätzliche biologische Verträglichkeit gegenüber Zellgewebe aus und die Funktionalisierung der Oberfläche war insofern möglich, so dass oberflächenaktive Substanzen aufgetragen werden konnten. Insgesamt konnte die Bindung von Ecopore mit den BMP-2-beladenen Ansätzen im Hinblick auf die Appositionsrate sowie die Ausbildung von Knochengewebe in das Porensystem überzeugen. Im Vergleich zu den nicht mit BMP-2 modifizierten Versuchgruppen war hier die Rate von eingewachsenem Knochen in das Zentrum des Porensystems signifikant höher. Die Erkenntnisse dieser Arbeit, insbesondere die Funktionalisierung von offen-porösen Systemen mit osteoinduktiven Substanzen wie BMP-2 lassen sich für andere Modelle mit Primärträgern des Knochenersatzes übertragen und weiterentwickeln.

The substitution of bone tissue is necessary in case of traumatic tissue infraction, after degenerative processes of the skeletal system and finally in all endoprothetic interventions. Respective in the research of open-porous ceramics many experimental and clinical trials confirmed that non-organic ceramics such as calcium phosphate, bioactive glasses and glass-ceramic-hybrids have potential applications in hard tissue replacement. In previous in-vitro experiments we have shown that the TiO2/glass composite Ecopore is well tolerated and the modification of Ecopore with cell adhesion mediator fibronectin or bone morphogentic protein-2 (BMP-2) led to enhanced spreading and growth of human osteoblasts without cell damage. BMP-2 is a morphogen and a growth factor with osteoinductive properties – it has been studied to improve the integration of bone replacement materials and thus to accelerate bone healing [1,2]. In the present study we implanted Ecopore-cylinders filled with BMP-2 and combined with Heparin/Collagen in a rabbit bone defect model to find out whether bone ingrowth could be further enhanced by this modification. We implanted 5 different modified Ecopore cylinders into critical size defects of 10 medial rabbit femora and applied pulsed polychrome sequence staging weekly. To overcome loss of function due to chemical surface coupling, we filled the pore system of Ecopore with heparinized collagen sponge and loaded this secondary matrix with BMP-2 in 2 approaches. After a period of 6 weeks we evaluated the resulting bone/implant interface radiographically and histologically to describe the bone apposition rate by fluorescence microscopy and the ingrowth by energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis (EDX). Statistical significance was estimated using Student’s t-test. During 6 weeks following the implantation blinded histological analysis revealed all implanted cylinders to be fully biocompatible and partially ingrown. For quantification of the bone built-in we analyzed the specimen by EDX: BMP-2 loaded Ecopore/collagen had significantly higher bony ingrowth quantities in vivo, with the heparinized modification yielding the highest value (16.09 ± 3.51%, p<0,005) compared to the non-heparinized matrix (10.72 ± 4.07%, p<0,05) and the BMP-2-free controls (5.60 ± 1.47%). Revealed by the fluorescence microscopy these results were confirmed – BMP-2 loaded Ecopore/collagen cylinders (22.325 ± 3.78 µm/week) had higher bone apposition rate as the control group (18.01 ± 2.83 µ/week). We conclude that the TiO2/glass composite is well tolerated without toxic reactions or inflammation processes. In summary, etching and filling BMP-2 on a heparinized collagen matrix can enhance bone tissue ingrowth. Furthermore the Ecopore/collagen as the BMP-2/Heparin-release system can be a new path for a greater degree, e.g. the control of pore dimensions by cross-linking, additional modification and the variation of loading quantities of BMP-2.

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