R8: Magnesiuminteraktion

Übersicht
Magnesium-basierte Implantatmaterialien zeigen unerwartete Aktivitäten. Zu diesen gehören Wirkungen auf Infektionen und Entzündung sowie osteogene Effekte. Diese Aktivitäten weisen auf komplexe Interaktionen des Implantatmaterials mit dem umgebenden Gewebe hin. Ziel  des Projektes ist es, die positiven Wirkungen des Materials ohne unerwünschte Nebeneffekte nutzen zu können. Dazu sollen Abbaukinetiken und die Wirkung von Magnesium (Mg) auf einzelne Zelltypen und Gewebe untersucht und mechanistisch verstanden werden. Die hieraus abgeleiteten Erkenntnisse sollen die systematische Steuerung der Degradation der Implantate ermöglichen und somit die Sicherheit der degradablen Implantate bezüglich Biokompatibilität und Biofunktionalität erhöhen.

Ziele
Die im Vorfeld beobachteten bzw. bereits publizierten Wirkungen von Magnesium-implantatmaterialien  (antiinfektive und antiinflammatorische Wirkungen sowie osteokonduktive Effekte) sollen mechanistisch verstanden werden und diese Erkenntnisse in die Entwicklung verbesserter Implantate einfließen.

Methoden
Die geplante  Vorgehensweise beinhaltet zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze:

  1. Es sollen Magnesiumproben unter unterschiedlichen physikalischen Bedingungen in einem in vitro Modell degradiert werden Der Einfluss physikalischer und chemischer Parameter auf die Magnesiumkorrosion soll hierbei untersucht und beschrieben werden.

Synergieeffekte zwischen den einzelnen Parametern werden bei dieser Betrachtung berücksichtigt. Für diese Studien wird ein dynamischer in vitro Degradationsprüfstand entwickelt, der systematische und standardisierte Untersuchungen solcher Einflüsse ermöglicht. Die Korrosionsprodukte werden unter anderem mittels EDX, Rasterelektronen- und 3D-Auflichtmikroskopie untersucht und ausgewertet.

  1. Um die biologischen Wirkungen systematisch untersuchen zu können, werden in vitro Untersuchungen in Zellkultursystemen und in vivo Untersuchungen am Mausmodell vorgenommen. Einerseits wird der Einfluss von Degradationsprodukten und Partikeln auf Zellen der Zielgewebe, sowie Zellen des Immunsystems, z. B. Makrophagen untersucht. Zum anderen werden in vivo Versuche durchgeführt, in denen die Degradationskinetik von Testimplantaten bestimmt wird.

Ergebnisse und Ausblick
Die ersten Versuche im in vitro Degradationsmodell zeigen dass eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit eine verstärkende Wirkung auf die Degradationsrate hat. Hierbei treten besonders im Bereich der angeströmten Flächen Korrosionen auf. Die laufenden Untersuchungen werden sich insbesondere mit der Standardisierung der in vitro Untersuchung beschäftigen. Im Weiteren sollen neben physikalischen Parametern der Einfluss der umströmenden Flüssigkeit, z. B. Pufferzusammensetzung, Serum oder bestimmte Komponenten darin, beobachtet werden, um deren Einfluss auf die Degradation zu bestimmen.

In vitro Arbeiten zeigten, dass die Magnesiumabbaupartikel Immunzellen zwar beeinflussen, sie aber in ihrer Fähigkeit, Bakterienwachstum zu hemmen, nicht beeinträchtigen. Auch andere Parameter zeigen, dass Magnesiumpartikel und Abbauprodukte keinen negativen Einfluss auf die Funktion von Immunzellen haben.  Im Weiteren werden Untersuchungen zur Entzündungsauslösung durch Magnesiumpartikel und Abbauprodukte vorgenommen. Ex vivo Untersuchungen am isoliert perfundierten Euter haben gezeigt, dass die Degradation in einem Gewebe moderater abläuft als in vitro. Auf diese Weise bleiben die Ionenkonzentrationen deutlich niedriger, als in Zellkulturexperimenten gemessen wird.  Dies spricht dafür, dass die bei extrem hohen Magnesiumkonzentrationen auftretenden Effekte in vivo vermutlich keine großen Rolle spielen werden. Inzwischen wurde an der Maus  ein Mikrodialysesystem etabliert, um die Degradationskinetik von Testimplantaten zu bestimmen. In der Umgebung des Implantats wird das Gewebe auf die Expression von entzündungsrelevanten Faktoren untersucht.