| Neu entwickelte Implantatwerkstoffe erfordern eine präklinische Testung, die heutzutage fast ausschließlich an Tiermodellen erfolgt. Da diese Unterschiede zum menschlichen Körper aufweisen und ihre Durchführung strenger Indikation unterliegt, beschäftigen sich Forscher mit der Entwicklung von im Labor hergestellten („in vitro”) Testsystemen.
Ziel der Arbeit war es, ein dreidimensionales (3D) humanes Knochenmodell aus humanen Femurkopfknochenspenden und Kollagengel aufzubauen. Mit diesem sollte die Wechselwirkung zwischen Material (Magnesium 10 Gadolinium [Mg10Gd], Titan [Ti]) und umliegendem Gewebe untersucht werden. Hierbei interessierte uns insbesondere, ob das entwickelte 3D Modell eine Untersuchung der Degradation des Implantatmaterials, verglichen mit einem implantatfreien Modell, ermöglicht.
Im 3D Knochenmodell wurde die Zellviabilität humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSCs) mittels einer Lebend/Tod-Färbung nach 1, 7 und 14 Tagen untersucht, um festzustellen, ob die hMSCs über die geplante Untersuchungsdauer überlebensfähig sind. Auch wurde die Fähigkeit der hMSCs, sich im 3D Modell osteogen zu differenzieren, mit Hilfe der Alizarinrot-Färbung nach 7 und 14 Tagen evaluiert. Abschließend wurde das Abbauverhalten der Implantate im entwickelten Knochenmodell mit mikro-computertomographischen (µCT) Untersuchungen nach 1 bzw. 13 Tagen beobachtet.
Pro humaner Femurkopfspende (2 weiblich, 4 männlich; Alter zwischen 53 und 81 Jahren) konnten ungefähr 2 Millionen hMSCs erfolgreich isoliert werden. Mittels Lebend/Tod-Färbung wurde gezeigt, dass diese 14 Tage lang sowohl in einer zweidimensionalen (2D) Kultur, als auch im 3D Knochenmodell eine ausgezeichnete Überlebensrate aufweisen. Weiter ließen sich die hMSCs in der 2D Zellkultur und im 3D Modell problemlos in Osteoblasten differenzieren. Dabei nahm das Ausmaß der Differenzierung und der damit verbundenen Kalzifizierung von Tag 7 bis 14 deutlich zu, was mit Hilfe der Alizarinrot-Färbung nachgewiesen wurde. In den µCT-Bildern zeigten die Titanimplantate gravierende Störeffekte über etwa □2⁄□3 der 3D Modellfläche. Diese fielen bei der Gruppe mit Magnesium-Implantaten geringer aus und waren bei den implantatfreien Kontrollen nicht nachweisbar. In den Scans war die Degradation der biodegradierbaren Mg10Gd-Implantate unter Hydrogengasbildung sichtbar. Die klinisch etablierten, biostabilen Ti-Implantate zeigten keinen Materialverlust im Untersuchungszeitraum.
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