P53
Poröse offenporige SLM-Matrices als Träger für mesenchymale Stammzellzellen
*C. Sengstock1, J. Geßmann1, T. A. Schildhauer1, M. Köller1
1Berufsgenossenschaftliches Universitätsklinikum Bergmannsheil, Chirurgische Universitätsklinik und Poliklinik, Chirurgische Forschung, Bochum, Deutschland
Einleitung:
Hochkomplexe Implantat-Geometrien können durch selektives Laserschmelzen (SLM) z.B. für die Schädel-, und Gesichtschirurgie hergestellt werden. Eine Vorbesiedlung derartiger Implantate mit körpereigenen humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) könnte das An- und Einwachsen der Implantate verbessern.
Ziel dieser Studie war es, die Zelladhärenz, Viabilität und Proliferation der hMSC an und in den SLM-Probekörper zu bestimmen. Zusätzlich wurde die Partikelfreisetzung aus den SLM-Probekörpern, sowie die zelluläre Aktivierung von periphären mononukleären Zellen (PBMC) in Anwesenheit dieser Partikel analysiert.
Materialien und Methoden:
Ti6Al4V-Probekörper wurden mit unterschiedlichen Porendurchmessern und Geometrien (0.5, 0.8, 1.1 mm; Starcross; Dodekaeder) hergestellt (SLM Solutions GmbH). Die Partikelfreisetzung aus den SLM-Probekörpern wurde hinsichtlich Partikelform, -größe und -anzahl analysiert (REM, Partikelanalyzer).
Zum Nachweis der Zellvitalität und Proliferation wurden die Probekörper mit 105Zellen/ Probekörper für 24h oder 7d besiedelt und eine Calcein-AM Färbung durchgeführt. Die quantitative Analyse der Viabilität erfolgte mittels alamarBlue und LDH-Test. Das osteogene Differenzierungspotential wurde mittels Alizerin Red/ Cetylpyridinium-Extraktion analysiert. Die zelluläre Aktivierung von PBMC wurde mittels Cytokin-Freisetzung (ELISA) untersucht.
Ergebnisse und Diskussion:
Es wurden porengrößenabhängige Partikelfreisetzungen gemessen (sphärische Partikel; 1 μm - 80 μm). Die Freisetzung stieg mit abnehmender Porengröße und zunehmender Porosität.
Nach der Besiedlung der Probekörper waren hMSC vital und proliferierten auf dem Material. Aufgrund der größeren Oberfläche adhärierten mehr Zellen an den Dodekaeder-Probekörpern (Porendurchmesser von 0,5mm) als auf der Starcross-Geometrie (Porendurchmesser von 0,8mm). Innerhalb der Probekörper wurden vitale Zellen detektiert, was eine Versorgung der Zellen durch Diffusion zeigte. Die hMSC konnten auf den Probekörpern osteogen differenzieren. Die freigesetzten SLM-Partikel führten zu einer erhöhten Sekretion von IL-6 aus PBMC.
SLM-Implantate eigenen sich als Träger für hMSC im Rahmen der regenerativen Medizin. Es sollte dabei der Freisetzung von Mikro-Metallpartikeln besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.
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Direct stem cell inkjet bioprinting impacts neither mesenchymal phenotypical changes nor osteogenesis potential
*D. Duarte Campos1, A. Blaeser1, I. Lauria1, H. Fischer1
1RWTH Aachen University Hospital, Dental Materials and Biomaterials Research, Aachen, Deutschland
Introduction:
Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in hydrogels after bioprinting renders multiple challenges, including cell integrity and viability, spreading and growth, adaptation to physicochemical matrix properties, and external culture conditions. We investigated the influence of inkjet bioprinting on MSC phenotypical changes and osteogenesis potential for 21 days in vitro, both in 2D and 3D hydrogel cultures.
Materials and Methods:
Stem cells were printed through a 600 μm valve-based inkjet bioprinter at an inlet pressure of 0.5 bar either in medium for 2D incubation, or embedded in hydrogels for 3D culture. Mesenchymal phenotype after bioprinting was confirmed by VIM+, CD90+, and CD34- immunocytochemical stainings. Stem cell osteogenic differentiation in 2D and 3D was evaluated with Alizarin Red staining, ITGB3+ and VIM+ immunofluorescent stainings by two-photon microscopy, and qPCR (RUNX2, COL1, ALP, and BGLAP).
Results and Discussion:
Intermediate filament vimentin stained positive for MSC after the bioprinting process, both cultured on 2D and 3D hydrogels. Quantification of DNA content indicated increased cell growth after direct inkjet bioprinting. Relative COL1 gene expression was significantly more expressed in osteogenic MSC after bioprinting compared to non-printed controls on 2D substrates. Also RUNX2, ALP, and BGLAP were equivalently expressed when cultured on 2D substrates both before and after bioprinting. MSC-loaded 3D-bioprinted hydrogels showed upregulation of the osteogenic genes RUNX2 and BGLAP similarly to casted cell-loaded hydrogels.
Despite of the external stresses at which cells were exposed during inkjet bioprinting, MSC cultured on 2D and 3D did not exhibit phenotypical changes towards non-mesenchymal lineages, and subsequently showed evidence of equivalent osteogenic differentiation potential against the non-printed controls.
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Integration eines Doppelschneckenextruders in eine Rapid Prototyping Anlage zur Herstellung von PCL-Calciumcarbonat/Hydroxylapatit Scaffolds
*T. Flath1,2, M. C. Hacker3, J. Neunzehn2, H.- P. Wiesmann2, M. Schulz-Siegmund3, P. Schulze1
1Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig, Fakultät Maschinenbau und Energietechnik, Leipzig, Deutschland
2Technische Universität Dresden, Professur für Biomaterialien, Dresden, Deutschland
3Universität Leipzig / Institut für Pharmazie, Pharmazeutische Technologie, Leipzig, Deutschland
Einleitung:
Zur Herstellung von 3-dimensionalen Scaffolds für Tissue Engineering werden zunehmend Rapid Prototyping Verfahren (RP) genutzt. Ein Verfahren, um thermoplastische Biopolymere zu verarbeiten, ist fused deposition modelling (FDM). Dabei wird ein extrudierter Materialstrang definiert in der x-y-Ebene abgelegt und schichtweise in z-Richtung zu einem beliebig strukturierbaren Volumenkörper aufgebaut. Es können reine Materialien, vorgefertigte Mischungen, oder durch Einsatz von statischen Mischern, Mischungen in einem konstanten Verhältnis verarbeitet werden. Die Realisierung von Gradienten, d.h. Variation der Zusammensetzung eines Hybridmaterials oder die Einarbeitung von Wirkstoffen in verschiedenen Konzentrationen innerhalb eines Konstrukts, ist aktuell nur bedingt möglich. Eine weitere Einschränkung von Anlagen, die mit dem FDM-Verfahren arbeiten und der damit verbundenen Nutzung von Vormischungen, ist eine hohe Temperaturbelastung des Materials und insbesondere der Additive.
Materialien und Methoden:
Es wurde ein Doppelschneckenextruder (DSE) miniaturisiert und als Dosierkopf (DK) in eine FDM Anlage (3D-Discovery, regenHU, CH) integriert. Für die Materialzuführungen kamen zwei modifizierte Flachbodenförderer (three-tec, CH) zum Einsatz. Die Funktionsüberprüfung des DSE-DK erfolgte mit Polycaprolacton (PCL) als thermoplastisches Grundmaterial und unterschiedlichen Mineralphasen (Calciumcarbonat (CaCO3) und Hydroxylapatit (HA)) als Additive. Scaffolds vorgegebener Geometrie wurden aus verschiedenen Mischungen gefertigt, zum einen als Vormischungen in einem DK ohne DSE und zum anderen über die Mischung während des Drucks mittels DSE-DK. Die CaCO3- und HA-Verteilung in den Konstrukten wurde mittels elektronenoptischer Verfahren analysiert und verglichen.
Ergebnisse und Diskussion:
Es konnte gezeigt werden, dass mittels DSE-DK unter Mischung zweier Materialien homogene Scaffolds aufgebaut werden können. Mit flexibler Variation des Mischungsverhältnisses wurde knapp oberhalb der Schmelztemperatur von PCL (60°C) bei 65°C gearbeitet. Der thermische Einflussbereich wurde qualitativ und quantitativ nachweislich minimiert. Im Vergleich zu den Ergebnissen vorgefertigter Mischungen konnte ein vergleichbarer bzw. höherer Homogenisierungsgrad der Materialien unter Einsatz des DSE-DK nachgewiesen werden.
P56
Neue Auslegungsmethodik für strukturoptimierte Materialien und deren Herstellung mittels additiver Fertigung
*P. Föhr1, M. Seebach2, C. von Deimling1, A. Obermeier1, R. Burgkart1, S. Teufelhart3
1Technische Universität München, Lehrstuhl für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Deutschland
2Technische Universität München, Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, München, Deutschland
3Fraunhofer-Institut, Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Augsburg, Deutschland
Einleitung:
Trägermaterialien für den muskuloskelettalen Einsatz erhalten mit Hilfe der additiven Fertigung, sowie der Möglichkeit einer simulationsbasierten Strukturoptimierung neue Gestaltungsfreiheiten. Ziel dabei ist es, durch eine gleichmäßige Spannungsverteilung Kerbwirkungen zu vermeiden und Materialermüdung entgegenzuwirken. Aus diesem Grund soll untersucht werden, ob das Selektive Metalllasersintern (SLMS) mit einer simulationsbasierten Strukturoptimierung auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FE) kombiniert werden kann. Nach Fertigung einer Probekörperserie werden diese im Druckversuch nach DIN 50134 mechanisch geprüft und ausgewertet.
Materialien und Methoden:
Um das Trägermaterial an die Gewebesteifigkeit (z.B. Isotropie des kortikalen Knochens) anzupassen, werden in einem ersten Schritt die Hauptspannungsrichtungen mit Hilfe eines FE-Modells identifiziert. Dabei dienen die Trajektorien der maximalen und minimalen Hauptspannungsrichtungen als Führungslinien, entlang derer quaderförmige Gitter aus sich wiederholenden Elementarzellen eingepasst werden. In einem Pilotversuch werden sechs Gitterausführungen (Kantenlänge=5 mm, Abbildung 1) im SLMS-Verfahren hergestellt (n=3) und im Kompressionsversuch nach DIN 50134 geprüft. Die Gitter bestehen aus den drei werkstofftechnisch bekannten Grundtypen kubisch flächenzentriert (kfz), kubisch raumzentriert (krz) und kubisch flächen- und raumzentriert (kfrz). Bei allen drei Typen wird zusätzlich eine Variante mit senkrecht zur Kompressionsachse verlaufenden Verbindungsstegen gefertigt (kfz-s, krz-s und krfz-s). In einer zweiten Pilotstudie soll analysiert werden, wie sich Gittervariationen auf eine kfz-Einheitszelle verhalten. Die drei Ausprägungen dafür sind: quadratische (1) bzw. runde (2) Stabquerschnitte ohne Verrundung der Stoßstellen, sowie eine vollständige Verrundung (3). Die mechanische Prüfung wird ebenfalls nach DIN 50134 durchgeführt.
Ergebnisse und Diskussion:
Im Fall der Elementarzellen können Unterschiede in der Belastungsrichtung (senkrecht zu quer) gezeigt werden: Bei Würfeln ohne senkrechte Versteifung ist der Elastizitätsmodul in Hauptbelastungsrichtung niedriger (kfz = 50,9%, krz = 53,8%, kfrz = 13,3%). Invers ist dieses Verhalten bei den senkrechten Versteifungen (kfz-s = 206,1%, krz-s = 1287,1 %, kfrz-s = 176,9%). Bezüglich der Fertigungsqualität sind kantenverrundete Zellen, die in der Datenverarbeitung aufwändiger sind, im Druckversuch deutlich steifer sind als nichtverrundete Gitter (3,77 MPa ±0,26 zu 1,96 MPa ±0,11 bzw. 1,83 MPa ±0,14). Mit dem Ergebniss, dass die Unterschiede in der Geometrie auch nach der Fertigung aufgezeigt werden können, können darauf aufbauend optimierte Trägermaterialien entwickelt werden, die weiter an eine individuelle Fragestellung gekoppelt werden können. Auch eine Übertragung der Methodik auf angepasste bzw. individuelle Osteosyntheseplatten steht mit dieser Kombination aus Auslegung und Fertigung bereit, da auch hier der Wunsch nach einer Angelichung der Steifigkeiten zwischen Implantat und Gewebe von entscheidendem Interesse ist.
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