Electrochemically assisted deposition of trace element modified calcium and magnesium phosphate coatings on titanium for improved implant healing in osteoporotic bone
Final Report Abstract
Für zwei Beschichtungssysteme auf Basis von Calcium- bzw. Magnesiumphosphat (Bruschit bzw. Struvit) wurde gezeigt, dass mittels elektrochemisch gestützter Abscheidung unter Einbeziehung von Spurenelementen multifunktionale Eigenschaften implementiert werden können. Ziel war es, die Osseointegration insbesondere in der initialen Einheilphase durch bioaktive anorganische Mediatoren zu unterstützen. Dabei sollte einerseits die Rekrutierung und Stimulierung osteogener Zellen durch Einlagerung von Zn- und Sr-Ionen erzielt werden. Anhand der positiven Beeinflussung der osteogenen Marker, insbesondere durch die immobilisierten Zn-Ionen und in geringerem Umfang auch durch die Sr-Ionen, konnte die erfolgreiche Umsetzung dieses Ziels demonstriert werden. Des Weiteren sollte durch den Einbau der Sr-Ionen gleichzeitig eine Suppression der Osteoklastenaktivität erreicht werden, was für den Einbau von Sr in Struvitschiten ebenfalls erfolgreich gezeigt werden konnte. Bei Einlagerung des Sr in Bruschitschichten bewirkten die erreichten Sr-Mengen zwar eine Verminderung der Osteoklastenfusion jedoch keine wesentliche Reduzierung der TRAP- Aktivität. Eine Abscheidung von reinem Strontiumphosphat ggf. unter Einbeziehung von Zn- und/oder Cu-Ionen wäre alternativ möglich, um die immobilisierten Mengen und damit die Wirksamkeit zu erhöhen. Ein drittes Spurenelement (Cu) wurde mit der Intention der Angiogenesestimulation in die Schichten integriert. Eine solche Stimulation konnte in vitro anhand der bisher etablierten Angiogenese-Modelle weder für aus den Schichten freigesetzte Cu-Ionen, noch für Modelllösungen mit definierten Cu- Konzentrationen demonstriert werden. Demzufolge erfordert die in in vivo Versuchen belegte Cuvermittelte Stimulation von Endothelzellen die Interaktion mit anderen Zellen, entweder durch direkte Zell-Zell-Interaktion oder durch sezernierte Botenstoffe wie Zytokine und Wachstumsfaktoren. Von Interesse war daher VEGF als einer der potentesten Wachstumsfaktoren in Bezug auf die Stimulation der Angiogenese. Eine erhöhte VEGF-Freisetzung durch osteoblastäre Zellen wurde auf Cu-haltigen Beschichtungen beobachtet. Ein durch die Kupferfreisetzung im Umgebungsgewebe entstehender VEGF-Gradient könnte somit einen Wirkmechanismus bei den bereits beschriebenen in vivo-Reaktionen darstellen. Daneben ist auch eine Interaktion mit Immunzellen vorstellbar. Im Rahmen des Projektes wurde die Wechselwirkung von Cu- und Zn-Ionen mit humanen PBMC als Mischpopulation verschiedener Lymphozyten bzw. mit isolierten Monozyten untersucht. Signifikante Effekte auf die Zytokinauschüttung bzw. auf die angiogene Stimulation wurden nur bei vergleichsweise hohen Cu- und Zn-Konzentrationen (~500 µM) festgestellt. Eine Beteiligung dieser Immunzellen am in vivo-Effekt ist jedoch durch komplexe Interaktionen mit weiteren Zelltypen auch bei geringeren Konzentrationen vorstellbar. Antimikrobielle Effekte durch die immobilisierten Spurenelemente waren nicht der primäre Fokus der Schichtmodifizierung. Die Verhinderung einer Biofilmbildung auf den Schichten, welche insbesondere bei der kombinierten Integration von Cu und Zn-Spezies erreicht wurde, stellt hier eine zusätzliche positive Funktionalisierung im Sinne eines Vorteils für humane Zellen beim „Race for the surface“ dar. Der antimikrobielle Effekt von Cu-Ionen ist hier jedoch durch die zytotoxische Wirkung auf humane Zellen begrenzt, welche in einem stark überlappenden Konzentrationsbereich zu beobachten ist.
Publications
- (2020) Osteoclast and osteoblast response to strontium-doped struvite coatings on titanium for improved bone integration. Biomedizinische Technik. Biomedical engineering 65 (5) 631–641
Moseke, Claus; Wimmer, Katharina; Meininger, Markus; Zerweck, Julia; Wolf-Brandstetter, Cornelia; Gbureck, Uwe; Ewald, Andrea
(See online at https://doi.org/10.1515/bmt-2019-0265) - Electrochemically assisted deposition of strontium modified magnesium phosphate on titanium surfaces. Materials Science and Engineering: C 67 (2016), 65-71
Meininger M, Wolf-Brandstetter C, Zerweck J, Wenninger F, Gbureck U, Groll J, Moseke C
(See online at https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.04.102) - Integration of trace elements into calcium phosphate coatings on titanium and their characterization in vitro. Engineering of Biomaterials 20 (2017)
Wolf-Brandstetter C, Urbanek S, Beutner R, Scharnweber D, Moseke C
- Multifunctional calcium phosphate based coatings on titanium implants with integrated trace elements. Biomedical Materials 15 (2020), 02500
Wolf-Brandstetter C, Beutner R, Hess R, Bierbaum S, Wagner K, Scharnweber D, Gbureck U, Moseke C
(See online at https://doi.org/10.1088/1748-605X/ab5d7b)
