Auswirkung unterschiedlicher PEEK Oberflächenmodifikationen auf humane Osteoblasten: eine in vitro Studie

Abstract

PEEK (Polyetheretherketon) könnte als Ausgangsmaterial für Dentalimplantate eine Alternative zu Titan und Zirkondioxid darstellen. Aufgrund seiner hydrophoben Oberfläche müsste PEEK jedoch modifiziert werden, um eine ausreichende Osseointegration zu erreichen. Für die Modifizierung der PEEK Oberfläche wird in der Literatur unter anderem die Plasmabehandlung der PEEK Oberfläche, die Compoundierung von PEEK mit Hydroxylapatit und die Funktionalisierung der PEEK Oberfläche durch die kovalente Bindung des RGD-Peptids beschrieben. Ziel der Studie war es, die Zellreaktion humaner Osteoblasten auf unterschiedliche Polymerkettenlängen von PEEK sowie auf unterschiedliche Oberflächenmodifizierungen von PEEK zu untersuchen und mit der Zellreaktion auf Titan (Positivkontrolle) sowie unbehandeltes PEEK (Negativkontrolle) zu vergleichen. Für die Probekörperherstellung wurden vier Ausgangsmaterialien verwendet, VESTAKEEP i2 mit einer niedrigen Viskosität und kürzeren Polymerketten, VESTAKEEP i4 mit einer höheren Viskosität und längeren Polymerketten, PEEK Optima HA (Compound aus 80% PEEK und 20% Hydroxylapatit) und Reintitan. Es wurden n = 248 scheibenförmige Probekörper hergestellt, bis zu einer Körnung von 4000 poliert und dann sterilisiert. Anschließend wurden die VESTAKEEP i2p/i4p-Probekörpergruppen für 35 min bei 70 °C und 0,2 bar mit Ar/O2-Plasma behandelt und die VESTAKEEP i2rgd/i4rgd- Probekörpergruppen über eine Schiff'sche Base unter Verwendung von Ethylendiamin und Ethylen Glycol Diglycidyl Ether mit dem RGD-Peptid beschichtet. Es wurden die Probekörpergruppe Titan (ti), PEEK/Hydroxylapatit Compound (ha), PEEK i2/i4 unbehandelt (i2u/i4u), Ar/O2-Plasma behandeltes PEEK (i2p/i4p) und PEEK mit kovalent gebundenen RGD-Peptiden (i2rgd/i4rgd) untersucht. Dafür wurden die Probekörper bei 37 °C und 5 % CO2 mit 1 ml Zellsuspension (≙ 30.000 humane Osteoblasten) inkubiert und an Tag 1, 3, 7, 10, 14 und 21 untersucht. Zur Beurteilung der Zellreaktion wurden die Zelladhäsion durch die Flächenbedeckung nach 24h, die Proliferation über die Zellviabilität mit Hilfe des AlamarBlue-Tests von Tag 1 - 21 und die Zelldifferenzierung anhand der alkalischen Phosphatase Aktivität von Tag 10 - 21 bestimmt. Bei der Auswertung der Ergebnisse wurde deutlich, dass das Ausgangsmaterial PEEK i4 bezogen auf alle Zellkulturparameter mit 22,22 % höheren Ergebnissen abschneidet im Vergleich zu i2. Des Weiteren führten weder die Plasmabehandlung der PEEK Oberfläche noch die Compoundierung von PEEK mit Hydroxylapatit zu einer Steigerung der Zellreaktion. Vor allem in Bezug auf die initiale Zelladhäsion und die Zelldifferenzierung führt die Funktionalisierung der PEEK Oberfläche durch die kovalente Bindung des RGD-Peptids zu höheren Ergebnissen gegenüber unbehandelten PEEK, Titan und den anderen mituntersuchten Modifikationsmöglichkeiten von PEEK. Bezogen auf die Zellproliferation zeigte Titan signifikant höhere Ergebnisse im Vergleich zu alle PEEK Probekörpern.

PEEK (polyetheretherketone) could be an alternative to titanium and zirconia as a base-material for dental implants. However, due to its hydrophobic surface, PEEK would have to be modified to achieve sufficient osseointegration. For the modification of the PEEK surface the plasma gas treatment of the PEEK surface, the compounding of PEEK with hydroxyapatite and the functionalization of the PEEK surface by the RGD-peptide are described in literature. The aim of the study was to investigate the cell response of human osteoblasts to different polymer-chain-lengths of PEEK, different surface modifications of PEEK and to compare these results to the cell response to titanium (positive control) and untreated PEEK (negative control). Four base-materials were used for the sample preparation as rod- and disk-material, VESTAKEEP i2 with a low viscosity and shorter polymer-chains, VESTAKEEP i4 with a higher viscosity and longer polymer-chains, PEEK Optima HA compound (80 % PEEK and 20 % hydroxyapatite) and pure titanium. N = 248 disc-shaped specimens were prepared, polished up to a grain size of 4000 and then sterilized. Afterwards, the VESTAKEEP i2p/i4p test-group was treated with Ar/O2-plasma for 35 min at 70 °C and 0.2 bar and the VESTAKEEP i2rgd/i4rgd test-group was coated with the RGD-peptide via a Schiff-base using ethylenediamine and ethylene glycol diglycidyl ether. The test-groups titanium (ti), PEEK/hydroxyapatite compound (ha), PEEK i2/i4 untreated (i2u/i4u), Ar/O2-plasma treated PEEK (i2p/i4p) and PEEK with covalently bound RGD-peptides (i2rgd/i4rgd) were investigated. Therefore the samples were incubated at 37 °C and 5 % CO2 with 1 ml cell suspension (≙ 30,000 human osteoblasts) and examined on days 1, 3, 7, 10, 14 and 21. To assess the cell-response, cell-adhesion was determined by area coverage after 24 h, proliferation via cell-viability using the AlamarBlue-Assay from day 1 - 21 and cell-differentiation via alkaline phosphatase activity from day 10 - 21. When evaluating the results, it became clear that the base-material PEEK i4 scored 22.22 % higher in all cell parameters combined compared to i2. Furthermore, neither the plasma gas treatment of the PEEK surface nor the compounding of PEEK with hydroxyapatite led to an increase in cell-response. Especially with regard to initial cell-adhesion and cell-differentiation, the functionalization of the PEEK i4 surface by covalent binding of the RGD-peptide leads to higher results compared to untreated PEEK, titanium and the other co-examined modification possibilities of PEEK. In terms of cell-proliferation, titanium showed significantly higher results compared to all PEEK samples.