Evaluation des osteoimmunologischen Potenzials von Magnesiumimplantaten in vitro

Eine bioaktive Osteosynthese folgt dem Prinzip, dass eine Osteosynthese nicht nur die Fraktur stabilisieren, sondern auch bioaktive Eigenschaften besitzen sollte, um Osteostimulation, Immunmodulation und Angiogenese im Verlauf der Frakturheilung optimal zu unterstützen. Magnesiumionen induzieren u. a. eine Veränderung der Makrophagenpolarisation und die Freisetzung von antiinflammatorischen Zytokinen und beeinflussen so potenziell die Frakturheilung. Die stimulierenden und inhibitorischen Effekte der Magnesiumionen zeigen sich zeit- und dosisabhängig.

Ziel dieser Studie ist es, die immunmodulatorischen Effekte von WE43-basierten Magnesiumimplantaten mit und ohne PEO-Oberflächenmodifikation zu untersuchen. Die Hypothese lautet, dass sich durch die PEO-Oberflächenmodifikation auf WE43-basierten Magnesiumimplantaten die immunmodulatorischen und osteogenetischen Eigenschaften verbessern lassen.

Verglichen wurden magnesiumbasierte Implantate der Legierung WE43 mit (Induktion einer hohen Magnesiumionenkonzentration) und ohne plasmaeletrolytische Oxidation (Induktion einer reduzierten Magnesiumionenkonzentration) der Oberfläche (Karl Leibinger Medizintechnik GmbH & Co. KG). Zur Analyse der physikalischen und chemischen Charakteristika wurde die Oberfläche mittels SEM (Scanning Electron Microscopy), die chemische Komposition mittels EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) und die Degradationsrate im Zellkulturmedium mittels Micro-CT untersucht.

In einem Osteogenesemodell wurden MC3T3-E1 Präosteoblasten genutzt, die in Kultur in α-MEM mit der Konzentration von 50 µg/ml Ascorbinsäure sowie doppelter Ascorbinsäurekonzentration untersucht wurden. Die Mineralisierung unter Einfluss von unterschiedlichen Magnesiumionenkonzentrationen wurde mittels Alizarinrot-Färbung über einen Verlauf von 28 Tagen untersucht. Die Evaluation des Magnesiumstimulus auf die Makrophagenpolarisation fand mittels Durchflusszytometrie statt.

Im SEM zeigten sich deutliche Risse in der Oberfläche als Zeichen der Bildung von Korrosionsnestern nach 240 h in beiden Gruppen. Eine signifikant höhere Magnesiumionenkonzentration im Medium konnte bei den Implantaten ohne Oberflächenmodifikation nachgewiesen werden. In Bezug auf das Volumen der Implantate im Micro-CT zeigte sich über den Untersuchungszeitraum kein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen, eine beginnende Korrosion ist in beiden Gruppen nach 7 Tagen sichtbar. Es zeigte sich eine Mineralisierung in Abhängigkeit von der Ascorbinsäurekonzentration und eine höhere Mineralisierung der Implantate ohne Oberflächenmodifikation, jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen. Durchflusszytometrisch konnte eine Polarisation zugunsten der M2-polarisierten Makrophagen nachgewiesen werden.

Zusammenfassend zeigt sich eine höhere Magnesiumionenkonzentration im Medium der Implantate ohne Oberflächenmodifikation und diese höhere Magnesiumionenkonzentration scheint die Mineralisierung der extrazellulären Matrix günstig zu beeinflussen. Die Anwesenheit von WE43 führt zu einem Shift zugunsten der M2-polarisierten Makrophagen mit dem Potenzial, die Knochenheilung zugunsten eines früheren antiinflammatorischen Shifts günstig zu beeinflussen.

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08 April 2025

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