Mikrotomographie, strukturelle, chemische und morphologische Analyse von gesunden und osteoporotischen Knochenstrukturen um biofunktionalisierte Titanimplantate
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden an osteoporotischen Knochenmodellen durch eine in der vorliegenden Form erstmalig eingesetzte Kombination sich ergänzender Techniken, Informationen über den Charakter des ortständigen und neu gebildeten Gewebes aus unterschiedlichen hierarchischen Ebenen gewonnen. Dabei konnte gezeigt werden, dass es unter hohem präparativen und logistischen Aufwand möglich ist, die ursprünglichen Gewebeinformationen der untersuchten Proben während des gesamten Untersuchungszeitraums weitestgehend zu erhalten. Übergreifend über beide Tiermodelle wurde für CS-haltige Implantatbeschichtungen in den Gruppen der behandelten osteoporotischen Tiere ein größerer Anteil an hochmineralisiertem Knochen quantifiziert. Dabei wurde innerhalb der mit phytoöstrogenreichem Futter ernährten Tiergruppe auch bei unbehandelten Implantaten eine deutliche Erhöhung der Anteile von höher mineralisiertem Knochen gefunden. Bei den osteoporotischen, unbehandelten Tieren (OVX) konnte ein größeres Knochenvolumen in der CS-Gruppe sowohl für den Bereich der Bohrung als auch für das Schraubengewinde festgestellt werden. Die vorliegenden Daten machen zugleich die Auswirkungen der Osteoporose und die kompensatorischen Effekte beider Hormonersatztherapien auf die mikromechanischen Eigenschaften sowie die Knochenmineraldicke und –orientierung des ortsständigen Knochens deutlich. Damit konnten erstmals synergistische Effekte einer biologischen Implantatbeschichtung und einer systemischen Hormonersatztherapie gezeigt werden, wobei die Östrogentherapie auch auf das implantatferne Knochengewebe wirkt. Eine vermehrte Knochenneubildung ging hierbei zum Teil mit einer geringeren Härte der gebildeten Knochenmanschette einher. Die gewonnenen Erkenntnisse haben aufgrund der demographischen Entwicklung mit einer steten Zunahme von Patienten mit Osteoporose ein hohes Anwendungspotenzial für Implantate im Knochenkontakt. Eine Übertragung der Vorgehensweise auf die Analyse der Knochenreaktion bei anderen systemischen Erkrankungen erscheint möglich und wünschenswert. Schwierigkeiten bei SAXS-Messungen und der Nanoindentierung: Methodisch bedingt wurden sowohl die SAXS-Messungen als auch die Nanoindentierung an Schnittpräparaten realisiert. Bei schräg zur Schnittebene verlaufenden Implantate und Knochenmanschetten entstehen für T und Rho Mischwerte aus implantatnahem und implantatfernem Knochen. Da beide Werte deutlich vom Implantatabstand abhängig sind, treten entsprechende Verfälschungen auf. Bei der Nanoindentierung kann es aufgrund der geringen Ausdehnung der Manschette zu einer Verminderung der mechanischen Eigenschaften durch die PMMA-Einbettung kommen. Zukünftige Arbeiten werden zwei Linien verfolgen. Zum einen der gezielten Gestaltung der Zusammensetzung der Implantatbeschichtungen, z. B. durch Einsatz von Glykosaminoglykan-Derivaten, die aufgrund ihres Funktionalisierungsmusters spezifische Wechselwirkungen mit Mediatorproteinen von Heilungsprozessen aufweisen. Eine zweite Linie verfolgt das Ziel, das Methodenspektrums der analytischen Verfahren zu verbreitern. Dazu zählen der Einsatz der Mikrodialyse ebenso wie die Kombination von Mikro-Röntgentomografie und Mikro-Magnetresonanztomographie zur gewebeübergreifenden Analyse der Reaktion auf die eingesetzten Implantatbeschichtungen.
Publications
- The bone architecture is enhanced with combined PTH and alendronate treatment compared to monotherapy while maintaining the state of surface mineralization in the OVX rat. Bone 2011;49:225-32
Campbell GM, Bernhardt R, Scharnweber D, Boyd SK
- Comparison of bone-implant contact and bone-implant volume between 2D-histological sections and 3D-SRmicroCT slices. Eur Cell Mater 2012;23:237-48
Bernhardt R, Kuhlisch E, Schulz MC, Eckelt U, Stadlinger B
(See online at https://doi.org/10.22203/eCM.v023a18) - Embroidered and surface coated polycaprolactone-co-lactide scaffolds: A potential graft for bone tissue engineering. Biomatter 2012;2(3):158-65
Rentsch B, Bernhardt R, Scharnweber D, Schneiders W, Rammelt S, Rentsch C
- Estimation of an early meaningful time point of bone parameter changes in application to an osteoporotic rat model with in vivo microcomputed tomography measurements. Lab Anim 2012;46:237-44
Keiler AM, Zierau O, Vollmer G, Scharnweber D, Bernhardt R
(See online at https://doi.org/10.1258/la.2012.011154) - Surface modification of implants in long bone. Biomatter 2012;2(3):149-57
Förster Y, Rentsch C, Schneiders W, Bernhardt R, Simon JC, Worch H, Rammelt S
- Increased bone remodelling around titanium implants coated with chondroitin sulfate in ovariectomized rats. Acta Biomater 2014;10:2855-65
Dudeck J, Rehberg S, Bernhardt R, Schneiders W, Zierau O, Manjubala I, Goebbels J, Vollmer G, Fratzl P, Scharnweber D, Rammelt S
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actbio.2014.01.034)
