Einfluss der Korrosion von biodegradablen Metallen auf die Fremdkörperantwort

Abstract

Magnesiumlegierungen spielen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften eine bedeutende Rolle im wachsenden Feld von Biomaterialien. Die Beteiligung von Magnesium in mannigfaltige biochemische Prozesse und als natürlicher Bestandteil des Körpers reflektiert das vielversprechende Potential als Implantatmaterial. Durch die Implantation eines Medizinproduktes wird eine Fremdkörperreaktion ausgelöst, die die Endphase der Wundheilung darstellt und vorrangig durch Makrophagen und Fremdkörperriesenzellen geprägt wird. Es ist bekannt, dass der Ablauf und die Intensität der FBR als direkte Antwort des Organismus auf biodegradable Werkstoffe im direkten Zusammenhang mit deren Biokompatibilität stehen. Die direkte Beeinflussung der beteiligten Zellpopulationen im Sinne einer bioinerten Integration der Materialien und einer nur mäßig ablaufenden FBR ist das Ziel für den medizinischen Einsatz um eine adäquate Stabilisierung eines Defektes zu ermöglichen und eine Implantatabstoßung zu verhindern. Kenntnisse über die quantitative Beteiligung der Zellpopulationen von T-Zellen, Granulozyten und Makrophagen an der FBR auf ausgewählte, biodegradierbare Magnesiumlegierungen: MgGd10, MgGd5 und MgFe in Abhängigkeit von der Zeit von 1 bis 28 Tagen wurden in dieser Studie an zwei unterschiedlichen Lokalisationen (subkutan, intramuskulär) über ein durchflusszytometrisches Panel im Rattenmodell erworben. Im Blut konnten keine systemisch nachweisbaren Veränderungen als Reaktion auf die FBR festgestellt werden. Unabhängig vom Implantationsort wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der Korrosionsrate der eingesetzten Materialien und der Anzahl der lebenden Leukozyten ermittelt: mit steigender Korrosionsrate wächst die Anzahl der lebenden Leukozyten in der Kapsel um das Implantat. Ein zeitlich charakteristischer Verlauf der FBR auf Magnesiumimplantate, unabhängig von der Lokalisation, entsprechend einer perakuten, akuten und chronischen Gliederung wurde beobachtet. Daten über den spezifischen zellulären Verlauf der FBR auf Magnesiumlegierungen standen zuvor nicht zur Verfügung. Wir konnten demnach nicht nur quantitative Aussagen über den Ablauf der FBR treffen, sondern auch ein standardisiertes Verfahren entwickeln, welches im wachsenden Feld der Biomaterialien die Möglichkeit bietet den zeitlich-zellulären Verlauf der FBR aufzuzeichnen. Durch die Weiterentwicklung des Verfahrens könnten zudem wichtige funktionelle Aussagen getroffen werden, die derzeit nur hypothetischen Charakter besitzen. Ein weiterer wichtiger Kernpunkt dieser Arbeit ist die vergleichende Betrachtung der zellulären FBR im Zusammenhang mit den Oberflächeneigenschaften und dem Korrosionsverhalten der eingesetzten Materialien.

Due to their mechanical properties, magnesium alloys play a significant role in the growing field of biomaterials. Being a natural component of the body, the involvement of magnesium in various biochemical processes reflects the promising potential as a suitable implant material. The implantation of a medical device initiates a foreign body reaction, which is the final phase of wound healing and is predominantly characterized by macrophages and foreign body giant cells. It is known that the process and the intensity of the FBR as a direct response of the organism are directly related to the biocompatibility of biodegradable materials. For medical use the aim is direct influencing of the participating cell population for an appropriate integration of the materials. To enable an adequate stabilization of an injury and to prevent implant rejection a moderate foreign body reaction is the goal of biological responses. Knowledge about quantitative involvement of T cell, granulocyte and macrophage populations on the selected biodegradable magnesium alloys MgGd10, MgGd5 and MgFe, depending on the time of 1 to 28 days, in this study was acquired in two different locations subcutaneous and intramuscularly via a flow cytometry rat model panel. Systemic changes in blood could not be detected in response to the foreign body reaction. Regardless of the location of the implant, a direct relationship between the corrosion rate and the number of living leukocytes could be determined. As the corrosive rate increases, the number of living leukocytes in the capsule increases around the implant. A characteristic progression of the foreign body reaction to magnesium implants was observed regardless of the localization according to a peracute, acute and chronic structuring. Data on the specific pathway of the foreign body reaction to magnesium alloys were not available before. Thus, we could not only make statements about the behavior of the FBR but could also develop a standardized procedure which allows to note the chronological cellular process of the FBR. Further development of our panel could be an opportunity to make statements about functional relationships between cellular responses to biomaterials, which currently only have a hypothetical character. An important focus of this work is the comparative consideration of the cellular FBR in connection with the surface properties and the corrosion behavior of the used materials.