Magnesium, as a biodegradable and biocompatible metal implant material for the orthopedic and vascular application, is also very promising in guided bone regeneration (GBR) to treat periodontal defects in dentistry. Therefore, thin magnesium membranes could replace the currently used barrier membranes made of resorbable collagen or non-resorbable titanium-reinforced polytetrafluorethylene (PTFE) for bone augmentation. Non-resorbable membranes are often reported to lead to exposed membranes as a result of postoperative wound dehiscence, and are accompanied by an increased infection risk and an extended healing period. Migration of human gingival fibroblasts (HGF) on the barrier membranes can overcome the exposed membrane by forming a cellular monolayer, which allows endothelial cells to finally close the wound. A migration assay has been developed during my previous research to investigate migration behaviour in vitro on magnesium surfaces. This study revealed that migration of HGF was slower on magnesium than on titanium and tissue culture plastic as control surfaces. During migration on magnesium, the cells were exposed to the alteration of various parameters, so called ‘physical cues’, involving surface alterations due to the formed corrosion layer and medium alterations arising from the dissolved corrosion products. Surface analysis by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and wettability measurements of all used materials revealed that the surface can be excluded as a parameter affecting migration rate on magnesium. Therefore, the main part of this study focused on analyzing the effect of the physical cues arising from the medium, like increasing Mg2+, H2 and osmolality as well as decreasing Ca2+ on HGF, including migration, viability and proliferation studies. It was shown that the altered ratio of Mg2+ and Ca2+, caused by increasing Mg2+ and decreasing Ca2+ concentration, accompanied by an increase of H2 concentration resulting from magnesium corrosion, led to reduced migration rate of HGF on magnesium surfaces. Furthermore, the individual increase of Mg2+ concentration up to 25 mM did not affect migration behaviour of HGF, while the migration rate decreased with decreasing Ca2+ concentration from 1.16 to 0 mM. This study provides detailed results of physical cues from the degrading magnesium membranes affecting migration, proliferation and viability of HGF. This knowledge allows us to create optimal conditions for the clinical application of magnesium membranes to ensure optimal healing success.
Magnesium, als ein metallisches Imlantatmaterial für die orthopädische und vaskuläre Anwendung eignet sich aufgrund seiner Biodegradierbarkeit und Biokompatibilität hervorragend für die Anwendung in der gesteuerten Knochenregeneration (eng. Guided Bone Regeneration, GBR) zur Behandlung von parodontalen Defekten in der Zahnheilkunde. In Form von dünnen Membranen kann Magnesium die derzeit für den Knochenaufbau eingesetzten Barrieremembranen, bestehend aus resorbierbaren Kollagen oder nicht-resorbierbaren Titan verstärkten Polytetrafluorethylen (PTFE), ersetzen. Nicht-resorbierbare Barrieremembranen haben den Nachteil, dass häufig postoperative Wunddehiszenzen auftreten, währenddessen die Membran freigelegt wird, wodurch das Infektionsrisiko steigt und die Heilungsphase verzögert wird. Durch Migration von humanen gingivalen Fibroblasten (HGF) auf der Membran bildet sich ein zellulärer Monolayer, auf dem letztendlich die Endothelzellen migrieren können, um die offene Wunde zu schließen. Im Rahmen meiner bisherigen Forschungsarbeit habe ich einen Migrationsassay entwickelt, mit dem sich das Migrationsverhalten von Zellen in vitro auf Magnesiumoberflächen untersuchen lässt. Die Studie zeigt, dass die HGF auf der Magnesiumoberfläche langsamer migrieren, als auf der Titan- und der Kunststoffoberfläche, es aber dennoch zu einem Wundverschluss kommt. Infolge der Korrosion von Magnesium ändern sich die Umgebungsparameter, denen die Zellen während der Migration auf Magnesium ausgesetzt sind. Das sind zum einen Veränderungen im Medium durch gelöste Korrosionsprodukte und zum anderen Veränderungen der Magnesiumoberfläche aufgrund der Bildung einer Korrosionsschicht. Parameter, mit denen sich diese Veränderungen charakterisieren lassen, werden als ‚physical cues‘ bezeichnet. Oberflächenanalysen mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Messungen zur Bestimmung der Benetzbarkeit zeigten, dass die Oberfläche keinen Einfluss auf die Migrationsrate der HGF auf den Magnesiummembranen hat. Demzufolge wird angenommen, dass nur die physical cues, mit denen sich das Medium charakterisieren lässt einen Einfluss auf das Zellverhalten haben. Auf dieser Annahme basierend, liegt der Fokus der Arbeit, insbesondere auf der Untersuchung der Auswirkungen einer gesteigerten Mg2+ Konzentration, H2 Konzentration und Osmolalität sowie abnehmender Ca2+ Konzentration auf die Migration, Viabilität und Proliferation der HGF. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die verlangsamte Migration der HGF auf Magnesium mittels der korrosionsbedingten Veränderung des Verhältnisses von Mg2+ und Ca2+, sowie der gesteigerten H2 Konzentration im Medium erklären lässt. Darüber hinaus hat der alleinige Anstieg von Mg2+ im Medium auf bis zu 25 mM keinen Einfluss auf die Migrationsrate der HGF, während die alleinige Abnahme der Ca2+ Konzentration von 1,16 zu 0 mM eine verlangsamte Migration zur Folge hat. Die Studie liefert detaillierte Ergebnisse über die Auswirkungen der physical cues der Magnesiummembranen auf das Zellverhalten der HGF hinsichtlich Migration, Viabilität und Proliferation. Mit diesem Wissen lassen sich optimale Bedingungen für die klinische Anwendung der Magnesium-Membranen schaffen, um einen optimalen Heilungserfolg anzustreben.
