In vitro Untersuchung der Fibroblastenadhäsion und -proliferation an oberflächenmodifizierten Titanwerkstoffen
Creators: name: Richard, Matthias
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Medizinische Fakultät - Universitätsklinikum Charité
Year: 2002
Subjects: subject: Titanwerkstoffe
subject: Oberflächenmodifikationen
subject: Hautdurchleitung
subject: Fibroblast
subject: titanium materials
subject: surface modifications
subject: transcutaneous implants
subject: fibroblasts
subject: 610 Medizin
subject: 33 Medizin
subject: YJ 3200

description: Ein in der chirurgischen Implantologie nicht gelöstes Problem ist die mangelhafte Versiegelung von Implantaten, die Haut und Weichgewebe penetrieren, sogenannte Hautdurchleitungen. Infolgedessen kommt es hier zu rezidivierenden oder chronischen periimplantären Entzündungen. Ziel der Studie war es, ein in-vitro Modell zu entwickeln, mit dem es möglich ist, die Adhäsion und Proliferation von Fibroblasten an unterschiedlich oberflächen- veränderten Titanwerkstoffen zu untersuchen. Verwendet wurden polierte, sand- und glaskugelgestrahlte, Kollagen-A- und Silikon- beschichtete Titanplättchen. Die Hälfte dieser Plättchen wurde noch zusätzlich mit dem Radio-Frequency-Glow-Discharge-Verfahren (RFGDT) physikalisch vorbe- handelt. Somit ergaben sich insgesamt 10 Oberflächenmodifikationen. Die ober- flächenveränderten Titanplättchen wurden in Wells einer 96er Mikrotiterplatte ein- gebracht. Anschließend wurden die Wells mit Nährstofflösung aufgefüllt und mit 1 x 104 Fibroblasten (humane Fibroblasten) beschickt. Der Kultivierungszeitraum zur Austestung der Zelladhäsion betrug 12 Stunden, für die Proliferation 72 Stunden. Nach Ablösen der Fibroblasten von den Titanträgern erfolgte die Zellzählung in der Neubauer-Zählkammer. Die quantitativ gewonnenen Ergebnisse wurden mathematisch-statistisch aufgearbeitet. Parallel zu jedem Versuchsdurchgang wurde der Zellbewuchs auf jeweils zwei Titanplättchen pro Oberflächenart rasterelektronenmikroskopisch qualitativ analysiert und deskriptiv-statistisch anhand eines eigens entwickelten Scores (Werte 1 - 7) ausgewertet. Das RFGD-Verfahren erwies sich bezüglich der Adhäsion bei sand- und kugelgestrahlten sowie bei Kollagen-A-bschichteten Trägern den physikalisch unbehandelten überlegen. Für polierte Titanträger ließ sich keine Aussage treffen, bei Silikon-beschichteten Trägern war das RFGDT von Nachteil. Fibroblasten adhärierten am besten an polierten, physikalisch unbehandelten Titanwerkstoffen. An Silikon-beschichteten Trägern kam es zur geringsten Fibroblastenanhaftung. Bezüglich des Gesamteffektes von Adhäsion und Proliferation, also nach 72-stündiger Zellkultivierung, ergab sich eine deutliche Überlegenheit der polierten und Kollagen-A-beschichteten Oberflächen, die physikalisch mit dem RFGD-Verfahren vorbehandelt waren. Auch hier wiesen die Silikon-beschichteten Träger den geringsten Fibroblastenbewuchs auf. Überdies erwies sich, dass eine schlechtere Adhäsion durch verbesserte Proliferation der Fibroblasten wett gemacht werden kann und vice versa. In der REM ließ sich an den polierten Titanplättchen eine nahezu perfekte Anpassung der Fibroblasten an die Werkstoffoberflächen nachweisen. Mit Hilfe der qualitativen rasterelektronenmikroskopischen Befunde lässt sich jedoch nur das zu erwartende Ausmaß der Zelladhäsion prognostizieren. Hinsichtlich der Fibroblastenproliferation kommt es zwischen qualitativ und quantitativ ermittelten Resultaten zu teilweise deutlichen Unterschieden. Der Vergleich der gewonnenen Resultate mit den Ergebnissen einer Studie der Keratinozytenadhäsion und -proliferation an identischen Werkstoffoberflächen zeigt, dass beide Zellspezies, Fibroblasten und Keratinozyten, gleichermaßen den besten Bewuchs an Kollagen-A-dotierten und physikalisch vorbehandelten Oberflächen aufweisen. Während jedoch Fibroblasten an polierten Titanwerkstoffen das beste Adhäsions- und Proliferationsverhalten zeigen, kommt es an diesen Oberflächen zum geringsten Keratinozytenbewuchs. Andererseits zeigen Fibroblasten an Silikon- beschichteten Werkstoffen das signifikant schlechteste Wachstum, wohingegen Silikon-beschichtete gegenüber sandgestrahlten Titanoberflächen für Keratinozyten von Vorteil sind. Zwecks Überprüfung der in vitro gewonnenen Resultate ist eine Versuchsreihe mit Kollagen-A-beschichteten Titanwerkstoffen am lebenden Organismus erforderlich. Es ist nicht auszuschließen, dass es in vivo aufgrund der Komplexität und Variabilität an Einflussgrößen noch zu deutlichen Abweichungen von den in vitro ermittelten Ergebnissen kommen kann. Zudem fallen die hier gewählten Kultivierungszeiträume beim lebenden Organismus in die Periode der Entzündungsphase, welche der Implantation eines Biomaterials folgt. Auch die hier vorgestellte Studie belegt, dass das Design eines idealen Implantats für jede Zellpopulation, mit welcher der Werkstoff in Berührung kommt, eine spezifische Oberflächentextur erfordert.
description: An unsolved problem in surgical implantology is the inadequately sealed junction between transcutaneous implants and surrounding skin or soft tissue. This results in reoccurring or chronic peri-implantary inflammation. The purpose of this study was to develop an in-vitro model enabling the examination of adhesion and proliferation of fibroblasts on surface variations of titanium materials. The surfaces employed in this study were polished, sandblasted, glassblasted, collagen-A and silicon coated titanium platelets. Additionally, half of these platelets had been preprocessed with radio frequency glow discharge treatment (RFGDT). Thus, in total ten surface modifications have been involved. Platelets were deposited in wells of a 96 micro-titre plate. Then these wells were filled with nutritive solution and loaded with 1 x 104 fibroblasts (human fibroblasts). Cultivation period was 12 hours for testing cell adhesion and 72 hours for testing proliferation. After being detached from the titanium carrier cells were counted in a Neubauer counting chamber. The quantitative results were subjected to mathematical-statistical appraisal. In parallel to each test procedure cell growth on two titanium platelets per surface modification was subjected to quantitative analysis on an electron microscopic grid and to descriptive-statistical evaluation with a custom-developed scoring system (values 1-7). The RFGD process gave improved adhesion results on sandblasted and glassblasted as well as on collagen-A coated surfaces. For silicon coated carriers RFGDT showed a negative influence were as no significant results could be achieved for polished titanium carriers. Best fibroblast adhesion was observed on polished, physically untreated titanium materials, poorest adhesion was determined on silicon-coated material. The combined effect of adhesion and proliferation observed after 72 hour cell cultivation was obviously superior in the polished and collagen A coated surfaces which had been pretreated with RFGD. Silicon coated surfaces exhibited the lowest fibroblast growth. Poorer adhesion can be compensated by improved fibroblast proliferation and vice versa. Almost perfect adaptation of fibroblasts to material surface was exhibited by REM on polished titanium platelets. The findings established in the electron microscopic grid can predict only the expected extent of cell adhesion. In some cases there is a significant difference between results of fibroblast proliferation determined qualitatively on one hand and quantitatively on the other. A comparison of the results gained in this work with those of a study of adhesion and proliferation of keratinocytes on identical surfaces shows that both cell species, fibroblasts as well as keratinocytes, demonstrate the best growth on collagen-A loaded, physically pre-treated surfaces. Whereas fibroblasts show the best adhesive and proliferative behaviour on polished titanium materials, keratinocytes feature the lowest growth. Conversely, fibroblasts grow poorest on silicon coated surfaces, whereas keratinocytes favour silicon coated materials over sandblasted titanium surfaces. In order to monitor the results gained in vitro, an in vivo test series with collagen-A- loaded titanium materials would be appropriate. It cannot be excluded that an in vivo study might generate significant deviations from results established in vitro because of the complex and variable nature of parameters. In addition, cultivation periods chosen in this study, transpire in the living organism during the inflammation phase following implantation of a biomaterial. Further studies are required to comprehend the epithelial and connective tissue organisation process in the implant environment. The study presented here verifies that the design for ideal implant requires a specific surface for each cell population with which the material comes into contact.