Modification of calcium phosphate bioceramics with biologically active metal ions for a specific control of cellular reactions
Biomaterials
Orthopaedics, Traumatology, Reconstructive Surgery
Final Report Abstract
Das Projekt hat die Modifikation von Calciumphosphat-Knochenzementen mit biologisch aktiven Übergangsmetallionen zur Steuerung biologischer Reaktionen (Osteogenese, Angiogenese) zum Ziel. Es wurde die Dotierung der Materialien durch verschiedene Methoden (adsorptiv, Zusatz zur Zementflüssigkeit, Einsinterung in Zementrohstoffe) im Hinblick auf das Freisetzungsverhalten der Metallionen sowie anwendungsrelevanter Parameter wie Abbindezeit und mechanische Eigenschaften untersucht. Systematische Studien bezüglich der Kristallisation von Hydroxylapatit in Gegenwart der Metallionen zeigten, dass sich sowohl weitere Metallphosphat-Phasen und ß-TCP bilden, als auch die Einlagerung der Ionen in das HA-Gitter zu beobachten ist. Bei letzterer wird etwa für Kupfer(II) nur noch eine sehr geringe Freisetzung der Ionen in den umliegenden Modellelektrolyten beobachtet. Als sehr vorteilhaft in Bezug auf das Freisetzungsverhalten erwies sich dagegen das Einsintern der Ionen in die Zementrohstoffe, ebenso wie die Verwendung sekundärer Calciumphosphate (Bruschit). Für letztere konnte der Einfluss der Modifikation mit Kupfer(II) auf die Zellaktivität und Proteinexpression osteoblastärer Zellen in vitro nachgewiesen werden. Die Zellkulturuntersuchungen mit hBMSC zur Biokompatibilität ergaben, dass die Freisetzungsprodukte der mit den Übergansmetall-Ionen modifizierten Zemente (mit Ausnahme von Mangan(II)) keine toxische Wirkung auf die Zellen hatten; insbesondere die Dotierung mit Chrom(III) führte zu einer deutlich verbesserten Zytokompatibilität auch im direkten Kontakt zur Zementoberfläche. Weiterhin konnte ein positiver Effekt von Kupfer(II) auf die Proliferation und von Chrom(III) auf die osteogene Differenzierung von hBMSC festgestellt werden. Die Bildung und die Aktivität von Osteoklasten wurden durch Kobalt(II), Chrom(III), Kupfer(II), und Nickel(II) in vitro beeinflusst; auf den mit Kobalt und Chrom modifizierten Zementen konnte eine gegenüber dem Referenzzement erhöhte Expression osteoklastärer Marker nachgewiesen werden. Eine stimulierende Wirkung von Kupfer(II)- Ionen auf die Ausbildung von Blutgefäßvorläuferstrukturen wurde in verschiedenen in vitro- Angiogenese-Modellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass Kupfer(II) nicht ausreicht, die Formierung tubulärer Strukturen zu initiieren, jedoch deren Ausbildung positiv beeinflusst. Die Proliferation von Endothelzellen (EC) konnte durch Kupfer(II) leicht stimuliert werden. Die Untersuchung der Implantatresorption, Knochenneubildung sowie der Vaskularisierung von Bruschit-Implantaten in der proximalen Tibiametaphyse zeigte, dass Bruschit innerhalb von 6 Monaten zu ca. 30-40 % resorbiert. Parallel dazu füllt sich der Defekt zu ca. 30 % mit neuem Knochen. Der Zusatz von Chrom besonders in Konzentrationen von 50 mmol steigert die Implantatresorption signifikant auf ca. 50-60 % und die Knochenneubildung auf 50 %. Dies geht einher mit einer erhöhten Aktivität der Osteoklasten und einer verstärkten Vaskularisierung. Der Zusatz von Cobalt oder Kupfer in den hier angegeben Konzentrationen führt zu einer Verschlechterung: es findet de facto keine Resorption bzw. Knochenneubildung statt. Zusätzlich verhinderte eine Fremdkörperreaktion bei einigen Implantaten mit hohen Kobalt-Konzentrationen sowie durch Zusatz von Kupfer den Kontakt Knochen-Implantat und somit eine Stabilisierung sowie eine Regeneration des Defektes.
Publications
- Modification of calcium phosphate cements with biologically active metal ions for targeted control of cellular responses. Beitrag 9th World Biomaterials Congress, Chengdu (China) 2012
N. Nosoudi, A. Lode, C. Stingl, C. Moseke, U. Gbureck, M. Gelinsky
- The effect of Cu(II)- loaded brushite scaffolds on growth and activity of osteoblastic cells. J Biomed Mater Res A 2012; 100: 2392-2400
A. Ewald, C. Käppel, E. Vorndran, C. Moseke, M. Gelinsky, U. Gbureck
(See online at https://doi.org/10.1002/jbm.a.34184) - Chemical characterization of hydroxyapatite obtained by wet chemistry in the presence of V, Co, and Cu ions. Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications 2013;33:1654-61
C. Moseke, M. Gelinsky, J. Groll, U. Gbureck
(See online at https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.12.075) - Influence of copper ions on angiogenesis – in vitro investigations. Beitrag Summer Conference des Centre for Regenerative Therapies Dresden, 2013
C. Stingl, A. Rumiantseva, A. Lode, M. Gelinsky
- Modification of calcium phosphate bone cements with biologically active metal ions: in vitro and in vivo characterization. Beitrag 27th European Conference on Biomaterials, Kraków (Poland) 2015
A. Lode, A. Bernhardt, B. Rentsch, C. Rentsch, M. Geffers, M. Quade, S. Rammelt, U. Gbureck, M. Gelinsky
