gms | German Medical Science

Fragestellung: Die Regeneration großer Knochendefekte kann durch synthetische Defektfüller und biophysikalischen Stimuli unterstützt werden. Letztere können durch die Applikation elektrischer und magnetischer Felder durch elektroinduktive Implantate und äußere Magnetspulen klinisch umgesetzt werden. Die Kombination von Magnetspule und Implantat wird beispielsweise durch das elektroinduktive ASNIS Schraubensystem realisiert, womit ein elektrisches Feld im Knochen zur Behandlung avaskulärer Hüftkopfnekrosen und Pseudarthrosen generiert wird. Ziel dieser Arbeit war es, einen dreidimensionalen Versuchsaufbau in vitro zu etablieren, mit dem die Effekte der elektromagnetischen Stimulation (EMS) an primären Osteoblasten untersucht werden kann.

Methodik: Für die Zellversuche wurden primäre Osteoblasten aus der Spongiosa von frischen humanen Hüftköpfen isoliert. In der 3. Zellpassage wurden jeweils 300.000 Zellen auf drei verschiedene 3D Formkörper (BONITmatrix®, TCP und Kollagen) aufgebracht und für 24 Stunden bei 37 °C und 5 % CO2 vorinkubiert. Anschließend wurden die Schraubenimplantate (ASNIS IIIs, Stryker, Schönkirchen) in die jeweiligen Formkörper zentral eingebracht. Im Anschluss erfolgte dreimal täglich die EMS bei 20 Hz und 700 mV für 45 Minuten über drei Tage. Nach Versuchsabbruch erfolgte die Bestimmung der Zellvitalität (WST-1 Test, Lebend-Tot-Färbung) und Kollagen 1 (Col1) Synthese mittels ELISA. Zudem erfolgte vor den Zellversuchen die Überprüfung des Versuchsaufbaus mittels Messung der elektrischen Parameter, die durch die EMS induziert werden und eine numerischen Feldsimulation.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Zellvitalität infolge der EMS variierte bei Verwendung der drei verschiedenen 3D-Formkörper, jedoch konnten bezüglich des Zellüberlebens auf den Materialien ähnliche Tendenzen nachgewiesen werden. Die Ratio zwischen Col1 und Stoffwechselaktivität war auf den Kollagen- und BONITmatrix® Formkörpern im Vergleich zur TCP-Kontrolle signifikant erhöht. Die numerische Simulation zeigte eine diskontinuierliche Feldverteilung im und um die Formkörper.

Die Zellexperimente sowie die numerische Simulation zeigen, dass sich der vorgestellte Versuchsaufbau gut eignet, um verschiedene Parameter der EMS wie Frequenz, Feldstärke und Signalform in vitro auf zellulärer Ebene an Osteoblasten zu evaluieren. Der Aufbau kombiniert dabei die elektrische und magnetische Stimulation.