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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001941-9

Differenzierte Untersuchung der lokalen und systemischen Entzündungsreaktionen nach Implantation von Niedertemperatur- Plasmapolymer-modifizierten Titanplättchen im Tiermodell Ratte

  • Ziel der Arbeit war die Untersuchung der lokalen und systemischen Entzündungsreaktionen nach intramuskulärer Implantation von Niedertemperatur-Plasmapolymer-modifizierten Titanplättchen (Ti) im Tiermodell Ratte. Ausgangspunkt dafür waren vorherige Zellkultur-Untersuchungen zu Ti-Proben mit einer positiv geladenen Schicht aus plasma-polymerisiertem Allylamin (PPAAm) beziehungsweise einer negativ geladenen Schicht aus plasma-polymerisierter Acrylsäure (PPAAc). Diese In-vitro-Studien ergaben für eine Beschichtung mit PPAAm positive Effekte auf das Wachstum von Osteoblasten sowie für eine Beschichtung mit PPAAc auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen. Für die darauf aufbauenden in dieser Arbeit durchgeführten In-vivo-Untersuchungen war es zunächst notwendig, eine Methode zur quantitativen histologischen Untersuchung der lokalen Gewebsreaktionen nach Implantation von Ti-Proben zu etablieren. Deren Evaluierung zeigte eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und damit die Eignung des Bildanalyse-Verfahrens für die weiteren Untersuchungen. Anschließend erfolgten unter Anwendung dieser Methode morphometrische immunhistochemische Untersuchungen der lokalen Entzündungsantwort nach intramuskulärer Implantation von PPAAc- und PPAAm-beschichteten Ti-Plättchen. Hierzu wurden in einer ersten Studie für beide Beschichtungen die Gesamt-Monozyten und -Makrophagen sowie die MHC-Klasse-II-positiven antigen-präsentierenden Zellen im Periimplantatgewebe nach 56 Tagen Implantationsdauer im Vergleich zu unbeschichteten Kontrollproben untersucht. Dabei ergab sich für die PPAAc-beschichteten Ti-Plättchen im Vergleich zu PPAAm-beschichteten Implantaten und Kontrollen eine verstärkte chronische Entzündungsreaktion. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden in einer anschließenden zweiten Studie für drei verschiedene PPAAm-Beschichtungen, die sich hinsichtlich der Plasmaprozessparameter im Duty cycle unterschieden, die Gewebsreaktionen im Kurz- und Langzeitverlauf analysiert. Dafür erfolgte eine Untersuchung der Gesamt-Monozyten und -Makrophagen, der gewebsständigen Makrophagen, der T Lymphozyten und der MHC-Klasse-II-positiven antigen-präsentierenden Zellen 7, 14 und 56 Tage nach Implantation für diese drei PPAAm-Varianten im Vergleich zu Kontrollen. Im Ergebnis waren die lokalen Gewebsreaktionen für die zwei PPAAm-Varianten mit dem höheren Duty cycle im Langzeitverlauf schwächer ausgeprägt als für die PPAAm-Schicht mit dem geringen Duty cycle und die Kontrollen. Dieses Ergebnis stand im Einklang mit entsprechenden Unterschieden in den physikochemischen Schichteigenschaften wie zum Beispiel der Schichtdicke, der Aminogruppendichte und der Proteinadsorption. Darüber hinaus wurden das Serumprofil und die Korrelationen der pro-inflammatorischen Zytokine IL-2 und IFNγ sowie der anti-inflammatorischen Zytokine IL-4 und IL-10 vor sowie wöchentlich für 56 Tage nach Implantation von PPAAc-und PPAAm-beschichteten Implantaten sowie Kontrollen analysiert. Diese Untersuchungen ergaben für die PPAAc-Gruppe in der Spätphase einen gegensätzlichen Verlauf von IL-4 und IL-10 sowie abweichende Korrelationen des IL-10 mit den anderen untersuchten Zytokinen, während in der PPAAm-Gruppe die systemischen Reaktionen und die Korrelationen zwischen den untersuchten Zytokinen mit den Befunden in der Kontrollgruppe vergleichbar waren. Die Gesamtbetrachtung der in dieser Arbeit erhobenen In-vivo-Ergebnisse mit den vorherigen In-Vitro-Befunden zeigt, dass eine positiv geladene PPAAm-Beschichtung einen vielversprechenden Ansatz zur Erzeugung von zelladhäsiven Implantatoberflächen mit dem Ziel einer Verbesserung des Einwachsens von Ti-Implantaten darstellt. Darüber hinaus konnte für die PPAAm-Beschichtung gezeigt werden, dass Variationen in den Plasmaprozessparametern zu Unterschieden in den physikochemischen Eigenschaften und den daraus resultierenden In-vivo-Gewebsreaktionen führen. Die Ergebnisse der Arbeit wurden in vier wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht (Walschus et al. 2011 J Microsc 242:94–99; Schröder et al. 2010 J Adh Sci Technol 24:1191–1205; Hoene et al. 2010 Acta Biomater 6:676–683; Walschus et al. 2012 J Mater Sci Mater Med 23:1299–1307).
  • The aim of the thesis was an examination of the local and systemic inflammatory reactions following intramuscular implantation of titanium (Ti) plates modified with low-temperature plasma-polymer processes. This originated from previous cell culture experiments with Ti samples coated either with a positively charged plasma-polymerized allylamine film (PPAAm) or a negatively charged plasma-polymerized acrylic acid film (PPAAc). These in vitro studies demonstrated positive effects for a coating with PPAAm regarding the growth of osteoblasts and for a coating with PPAAc regarding the differentiation of human mesenchymal stem cells. For the in vivo evaluation performed in this thesis, it was basically necessary to establish a method for quantitative histological examination of the local tissue reactions after implantation of Ti samples. Its evaluation showed good reproducibility of the obtained results and thus the suitability of this digital image procedure for the subsequent investigations. Using this method, a morphometric immunohistological examination of the local inflammatory tissue response after intramuscular implantation of PPAAc- and PPAAm-coated Ti plates was performed. In a first study, the total monocytes and macrophages as well as MHC class II antigen-presenting cells were examined in the peri-implant tissue after 56 days for both coatings in comparison to uncoated control samples. The results demonstrated a stronger chronic inflammatory response for PPAAc-coated Ti plates compared to PPAAm-coated samples and controls. Based on these findings, the short- and long-term tissue reactions were analysed in a second study for three different PPAAm coatings varying in their plasma process parameters regarding the duty cycle. Total monocytes and macrophages, tissue macrophages, T lymphocytes and MHC class II antigen-presenting cells were evaluated for these PPAAm variants after 7, 14 and 56 days of implantation in comparion to controls. It was found that the long term local tissue reactions following implantation of PPAAm-coated Ti plates were lower for the two PPAAm variations which had a higher duty cycle than for the PPAAm variant with the low duty cycle and the controls. This result was in accordance with differences in the physico-chemical film properties such as layer thickness, amino group density and protein adsorption. Additionally, the serum profile and correlations of the pro-inflammatory cytokines IL-2 and IFNγ and the anti-inflammatory cytokines IL-4 and IL-10 after implantation of PPAAc- and PPAAm-coated Ti samples as well as controls were quantified before and weekly for 56 days after implantation. These experiments revealed for the PPAAc group contrary changes in the time course of IL-4 and IL-10 in the late phase as well as divergent correlations of IL-10 with the other examined cytokines, while the PPAAm group was comparable to the control group regarding the systemic reactions and the correlations between the different cytokines. Taken together with the previous in vitro data, these in vivo results indicate that a positively charged PPAAm film is a promising approach for generation of cell-adhesive implant surfaces aimed at improving the ingrowth of Ti implants. Furthermore, it could be demonstrated for the PPAAm coating that variations of the plasma process parameters cause differences of the physico-chemical properties and the resulting in vivo tissue reactions. The results of this thesis have been published in four scientific journals (Walschus et al. 2011 J Microsc 242:94–99; Schröder et al. 2010 J Adh Sci Technol 24:1191–1205; Hoene et al. 2010 Acta Biomater 6:676–683; Walschus et al. 2012 J Mater Sci Mater Med 23:1299–1307).

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Metadaten
Author: Uwe Walschus
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001941-9
Title Additional (English):Differentiated examination of the local and systemic inflammatory reactions following implantation of low-temperature plasma-polymer modified titanium plates in the animal model rat
Advisor:Dr. Michael Schlosser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/07/01
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/06/17
Release Date:2014/07/01
Tag:Acrylsäure, Allylamin, Plasmapolymerisation
GND Keyword:Biokompatibilität, Biomaterial, Cytokine, Entzündung, Immunhistochemie, Implantation, In vivo, Niedertemperaturplasma, Titan
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Med. Biochemie u. Molekularbiologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit