Ionenangereichertes bioaktives Glas zur Stimulation der Knochenbildung in-vitro und in-vivo
Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bioaktive Gläser (BGs) stellen eine attraktive Gruppe von Knochenersatzmaterialien dar. Auf das initial von Hench entwickelte 45S5-BG folgten eine Vielzahl neuer BG-Kompositionen zur Verbesserung der Bioaktivität und Erweiterung des Anwendungsbereiches, so bspw. dem 0106-B1-BG, das auf Basis der 1393-BG-Zusammensetzung entwickelt wurde. Das Projekt diente der Entwicklung neuer BG-Kompositionen auf Basis des Borosilikatglases 0106-B1 durch Zugabe der bioaktiven Ionen Zink und Kupfer. Ziel war, die Eigenschaften der BGs für den Einsatz in Knochendefekten zu verbessern. Für 0106-B1-BG konnten bereits vielversprechende angiogenesefördernde Eigenschaften nachgewiesen werden. In der Literatur ist beschrieben, dass Zink als Bestandteil von BGs positiven Einfluss auf die Mineralisierung der knöchernen Extrazellulärmatrix nimmt, Kupfer fördert vergleichbar zu Bor die Angiogenese. Bislang fehlt es jedoch an direkten Vergleichsdaten, ferner ist unbekannt, in wie fern sich die biologischen Effekte möglicherweise ergänzen, beispielsweise durch simultane Dotierung mit Bor und Kupfer bzw. Zink. Hierzu wurde eine genaue Charakterisierung sowie eine Einordnung des Potenzials dieser neuen Kompositionen in direktem Vergleich zu den etablierten 45S5- und 1393-BGs durchgeführt. Die Evaluation der allgemeinen biologischen (Einfluss auf die Vitalität und Proliferation einer Zellpopulation), osteogenen und angiogenen Eigenschaften von 45S5-BG, 1393-BG und 0106-B1-BG in Vergleich zueinander in-vitro zeigte, dass das 1393-BG und das 0106-B1-BG die Proliferation und Viabilität von humanen Stammzellen aus dem Knochenmark (BMSCs) im Gegensatz zum 45S5-BG förderten. Das 1393-BG übertraf die beiden anderen BGs in seinem Einfluss auf die osteogenen Eigenschaften, während das 45S5-BG und das 0106-B1-BG ein besseres angiogenes Potenzial zeigten. Es wurden erfolgreich Zn- und Cu-dotierte Varianten des 0106-B1-BGs synthetisiert. Die Ionenfreisetzungskinetik zeigte, dass die Zn-dotierten 0106-B1-BG Varianten Silizium verzögert freisetzten ähnlich dem 0106-B1-BG. Die Freisetzung von Zink durch die Zn-dotierten Varianten wurde über den gesamten Beobachtungszeitraum beobachtet, dagegen zeigten die Cu-dotierten eine frühe sehr starke Freisetzung, die in der Folge zum Erliegen kam. Die Analyse der allgemeinen biologischen, osteogenen und angiogenen Eigenschaften der Zn- und Cu-dotierten BGs im Vergleich zum 0106-B1-BG zeigte, dass die Zn-dotierten BGs die Zellproliferation, Viabilität und auch die osteogene und angiogene Entwicklung von BMSCs im Vergleich zum ursprünglichen 0106-B1-BG verbesserten. Dagegen hatte eine Cu-Dotierung eine vergleichsweise geringe Auswirkung auf diese Parameter. Die in-vivo Untersuchungen zur Knochenregeneration der BGs wurde in einem Femur-Defekt-Modell an der Ratte untersucht. Hierbei zeigte sich, dass implantierte Scaffolds aus 45S5-BG und auch 0106-B1-BG die Knochenregeneration, Angiogenese und die Präsenz von Osteoklasten, einer wichtigen Zellpopulation für die frühen Phasen Knochenregeneration, im Knochendefekt förderten. Überraschenderweise vermittelte das 1393-BG eine vergleichsweise schlechte Knochenregeneration im in vivo-Modell, sein Einsatz führte Überwiegung zur Bildung fibrösen Gewebes, eine ossäre Regeneration des Defektes blieb aus. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu seinen als sehr gut zu bewertenden biologischen und osteogenen Eigenschaften innerhalb der in-vitro Untersuchungen. Das Zn-dotierte BG förderte ebenfalls die Knochenregeration vergleichbar zum 0106-B1-BG, obgleich weniger Osteoklasten in dem Zn-BG-behandelten Defekten nachweisbar waren. Dagegen war die Knochenbildung in den Cu-BG-behandelten Defekten geringer. Zusammenfassend konnten die im Rahmen der Arbeit definierten Ziele erreicht werden. Es konnten erfolgreich die avisierten Glaskompositionen hergestellt, charakterisiert und umfassend biologisch evaluiert werden. Wir konnten zeigten, dass sich die biologischen Eigenschaften von BGs selbst durch kleinschrittige, gezielte Änderung der BG-Zusammensetzung signifikant beeinflussen lassen. Ferner zeigt die Studie deutlich, dass die Anwendung eines breiten methodischen Spektrums zur Analyse der biologischen Eigenschaften von BGs zur Generierung eines umfassenden Charakterisierungsprofils erforderlich ist. Spezifisch konnte nachgewiesen werden, dass das bereits klinisch genutzte 45S5-BG hervorragende knochenregenerative Eigenschaften innerhalb des genutzten Tiermodells zeigt. Weiterhin konnten die Zn-dotierten 0106-B1-Varianten aufgrund ihrer überzeugenden in-vitro und auch in-vivo Eigenschaften für die Weiterentwicklung und möglichen Einsatz in Knochenregenerationstherapie identifiziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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In-vitro Vergleich der osteogenen und angiogenen Eigenschaften der bioaktiven Gläser 45S5, 1393 und 0106B1. Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2022). Berlin, 25. - 28.10.2022.
Elke Kunisch; Merve Saur; Linn Anna Fiehn; Marcela Arango-Ospina; Christian Merle; Aldo R. Boccaccini; Tobias Renkawitz & Fabian Westhauser
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Regeneration von Knochendefekten kritischer Größe unter Anwendung bioaktiver Gläser unterschiedlicher Zusammensetzung. Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2022). Berlin, 25. - 28.10.2022.
Fabian Westhauser; Linn Anna Fiehn; Merve Saur; Marcela Arango-Ospina; Christian Merle; Sébastien Hagmann; Aldo R. Boccaccini; Tobias Renkawitz & Elke Kunisc
