Establishment of biological test systems for metallic magnesium as a novel implant material and its interaction with bacteria, cells and tissue

Rahim, Muhammad Imran

Implantate auf Magnesiumbasis stoßen auf zunehmendes Interesse aufgrund ihrer Abbauarbeit, Biokompatibilität und antibakterielle Eigenschaften. Jedoch ist eine breite klinische Anwendung noch nicht möglich wegen unvorhersehbaren Korrosionseffekten und durch die Bildung von gasgefüllten Gewebehohlräumen an der Implantationsstelle. Die vorliegende Studie wurde durchgeführt um neue Strategien zu finden, welche die klinische Anwendung ermöglichen sollen. Um relevante Testparameter zu eruieren, wurden verschiedene Modelle untersucht. Magnesium ist dafür bekannt, die Knochenheilung zu fördern. Wir fanden, dass solche Magnesiuminteraktionen mit dem Knochen auch in Abwesenheit von Zellen stattfinden, was darauf hindeutet, dass diese Interaktionen zumindest teilweise ein rein physikalisch-chemisches Phänomen sind. Außerdem wurde eine neuartige biomimetische und abbaubare Magnesiumbeschichtung gefunden, welche die anfängliche Korrosion beträchtlich verringert und die Bildung von Gashohlräumen im Gewebe eliminiert. Diese Beschichtung war biokompatibel mit murinen Fibroblastenkulturen und auch mit Weichgewebe in vivo. Magnesium antibakterielle Eigenschaften in vitro; wobei der zugrunde liegende Mechanismus bisher nicht bekannt war. Daher wurden antibakteriellen Eigenschaften von Magnesium untersucht und es wurde festgestellt, dass die Alkalisierung durch die Korrosion für sämtliche antimikrobiellen Wirkungen verantwortlich war. Um diese antibakteriellen Eigenschaften auch in vivo zu untersuchen, wurden Magnesiumimplantate in Mäusen infiziert mit lumineszent markierten P. aeruginosa und S. aureus Bakterien. Im Gegensatz zu den in vitro Resultaten waren Magnesiumimplantate anfällig für bakterielle Infektionen. Diese waren widerstandsfähig gegenüber hohen Antibiotikadosen und auch gegenüber dem Immunsystem. Dies ist charakteristisch für bakterielle Biofilme. Elektronenmikroskopie und histologische Nachweismethoden zeigten die Bildung einer Exopolysaccharidmatrix, die für Biofilme typisch ist. Verantwortlich für das Überleben der Bakterien schienen Korrosionsprodukte zu sein. Daher müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden bevor Magnesiumimplantate für zukünftige klinische Anwendungen in Frage kommen. Andererseits könnten Magnesiumimplantate als Modell für die Erforschung von implantatassoziierten Infektionen dienen.

Recently, magnesium based implants have gained increasing interest due to their degradability, biocompatibility and antibacterial properties. However, their clinical application is restricted due to unpredictable corrosion and the formation of gas cavities at the implantation site. The present study was aimed to identify efficiencies of magnesium as implant material and to find novel strategies to promote clinical applications. To identify relevant parameters and suitable degradation conditions, magnesium implants were incubated under various biological conditions. Magnesium is known to promote bone healing. We found that degradable magnesium interlocked with the bone in vitro in the absence of any cellular activity suggesting that at least in part this may be a purely physico-chemical process rather than a biological phenomenon. Further, a novel biomimetic degradable magnesium implant coating was established which substantially diminished the corrosion and eliminated the formation of gas cavities at the site of implantation. This coating was biocompatible with murine fibroblasts and with soft tissue in animals. Magnesium is reported antibacterial in vitro; however the underlying mechanism has not been defined. Therefore, antibacterial properties of magnesium were investigated and it was found that alkalization was solely responsible for antimicrobial effects. To investigate these antibacterial properties in vivo, magnesium implants were infected with bioluminescent strains of P. aeruginosa and S. aureus in mice. Contrary to the in vitro situation, magnesium implants were susceptible to bacterial adherence and led to the prolonged survival of bacteria. Such infections were highly resistant to high doses of antibiotics and to the host immune system. This is indicative of bacterial biofilm formation. Electron microscopy and biofilm specific staining clearly revealed the formation of exopolysaccharide matrix around bacteria which is typical for biofilms. Causal factors for prolonged bacteria survival appeared to be magnesium corrosion products. Hence, precautions must be taken before its future clinical applications however magnesium could be used as model to study implant-associated infections in vivo.

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Rahim, Muhammad Imran: Establishment of biological test systems for metallic magnesium as a novel implant material and its interaction with bacteria, cells and tissue. 2015.

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