Biokompatibilität von Siliziumnitrit-Keramik in der Zellkultur. Eine vergleichende fluoreszenzmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Untersuchung*

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Keramik Siliziumnitrit hat physikalische Eigenschaften, die einen medizinischen Einsatz als Biomaterial für zahlreiche Indikationen wünschenswert erscheinen lassen. Die Biokompatibilität des Werkstoffes ist jedoch bisher nicht ausreichend belegt.

Methoden: Wachstumsverhalten, Vitalität und Morphologie der Zelllinie L929-Mäusefibroblasten wurden im modifizierten direct-contact-assay untersucht. Prüfmaterialien waren dabei unbehandelte, geschliffene und polierte Siliziumnitrit-Scheiben. Als Vergleichsmaterial diente Titan als Positivkontrolle und PVC als Negativkontrolle. Die Vitalität wurde anhand einer Doppelfluoreszenzfärbung mit Bisbenzimid und Propidiumiodid am Inversionsfluoreszenz-Mikroskop beurteilt, die Morphologie mit Hilfe rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen.

Ergebnisse: Nach 24-stündiger Kultur waren alle Zellen auf den Prüfmaterialien Siliziumnitrit und Titan vital, nicht jedoch auf PVC. Die Wachstumszahlen auf Siliziumnitrit zeigten keine signifikante Abweichung von denen auf Titan. Polierte Oberflächen erbrachten höhere Wachstumszahlen als geschliffene und unbehandelte Oberflächen. Die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Zellen auf Titan und Siliziumnitrit zeigte breitflächige Anhaftung mit typischer Fibroblasten-Morphologie und filiformen Zellausläufern.

Schlussfolgerung: Die vorliegenden In-vitro-Befunde geben keinen Hinweis auf zytotoxische Effekte der untersuchten Siliziumnitrit-Keramik. Wachstum, Vitalität und Morphologie der Zellen sind vergleichbar mit den entsprechenden Parametern für Titan als Vergleichsmaterial. Polierte Oberflächen begünstigen das Zellwachstum. Weitergehende Biokompatibilitätsprüfungen im Tierversuch sind notwendig vor Anwendung beim Menschen.

Abstract

Background: With regard to its favorable physical properties, silicon nitride ceramic is considered as biomaterial for human medical application. Minor controversy exists about the biocompatibility of the material.

Methods: Cytotoxicity testing, cell viability and morphology assessment was performed applying the L929-mice fibroblast cell culture model in a direct contact assay. Testing materials were silicon nitride ceramics of different surface properties and titanium alloy as a reference. Polyvinylchloride served as a negative control. The cells were stained with bisbenzimide and propidium iodine for double fluorochromasia viability testing, and evaluated by inversion-fluorescence microscopy. Scanning electron microscopy was applied to additionally investigate cell morphology.

Results: No cytotoxic effects were observed on the silicon nitride ceramic samples; moreover cell morphology remained the same as on titanium. Avital cells were present exclusively on PVC. The cell growth in the silicon nitride samples showed no significant differences compared to titanium. Cell counts on all polished surfaces showed significantly higher numbers. Scanning electron microscopy revealed typical fibroblast morphology with filiform extensions.

Conclusion: The current results indicate a favorable biocompatibility of silicon nitride ceramic. Cell growth, viability and morphology are comparable to parameters of titanium. Polished surfaces appear to promote cell growth. Further in vivo studies are mandatory prior to human medical application. Owing to its favorable physiochemical properties, especially its superior resistance to mechanical stress, silicon nitride could serve as a biomaterial for osteosynthesis of bone with mucosal attachment.

Schlüsselwörter

Siliziumnitrit-Keramik · Biokompatibilität · L929-Zellkultur

Key words

Silicon nitride · cytotoxicity · L929 cell line

Literatur

• 1 Marti A. Inert bioceramics (Al2O3, ZrO2) for medical application.  Injury. 2000;  31 Suppl 4 33-36
• 2 Jahnke K, Plester D, Heimke G. Aluminiumoxid-Keramik, ein bioinertes Material für die Mittelohchirurgie.  Arch Otorhinolaryngol. 1979;  223 373-376
• 3 Jahnke K, Plester D. Keramik-Implantate in der Mittelohrchirurgie.  HNO. 1980;  28 109-114
• 4 Heimke G, Griss P. Ceramic implant materials.  Med Biol Eng Comput. 1980;  18 503-510
• 5 Brunner F X. Osteosyntheseplatten im Gesichtsbereich - ja oder nein?.  HNO. 1995;  43 205-208
• 6 Griss P, Werner E, Heimke J. Alumina ceramic, bioglass, and silicon nitride: A comparative biocompatibility study. In: Hastings GW, Williams DF (Hrsg) Mechanical properties of biomaterials. New York; John Wiley & Sons 1980: 217-226
• 7 Howlett C R, McCartney E, Ching W. The effect of silicon nitride ceramic on rabbit skeletal cells and tissues.  Clin Orthop.. 1989;  244 293-304
• 8 Neumann A, Reske T, Held M, Ragoß C, Maier H R, Jahnke K. Comparative Investigation of the biocompatibility of various silicon nitride ceramic qualities in vitro.  J Mat Sci: Mat Med. 2004;  35 569-573
• 9 Neumann A, Kramps M, Ragoß C, Maier H R, Jahnke K. Histological and microradiographic appearances of Silicon Nitride and Aluminum Oxide in a rabbit femur implantation model.  Mat Wiss Werstofftech. 2004;  35 569-573
• 10 Ammar A. Tissue compatibility of different intracranial implant materials: In-vivo and in-vitro studies.  Acta Neurochir. 1984;  72 45-59
• 11 Doran A, Law F, Allen M, Rushton N. Neoplastic transformation of cells by soluble but not particulate forms of metals used in orthopaedic implants.  Biomaterials. 1998;  19 751-759
• 12 Elbel J, Eckert L, Blum J, Wintermantel E, Eppenberger H. Titanium dioxide ceramics control the differentiated phenotype of cardiac muscle cells in culture.  Biomaterials. 2000;  21 539-550
• 13 Kawara H. Cellular response to implant materials: Biological, physical and chemical factors.  Int Dent. 1983;  33 350-375
• 14 Mengucci P, Majini G, DeBenedittis A, Biagini G. Study of the interface reaction between cells and a biocompatible ceramic.  Biomaterials. 1998;  17 1339-1344
• 15 Rosenbluth S A, Weddington G R, Guess W L, Autian J. Tissue culture method for screening toxicity of plastic materials to be used in medical practice.  J Pharm Sci. 1965;  54 156-159
• 16 Neumann A, Jahnke K. Biomaterials for ossicular chain reconstruction. A review.  Mat Wiss Werkstofftech. 2003;  34 1052-1057
• 17 Richerson D W, Stephan P M. Evolution of applications of Si₃N₄-based materials.  Mat Sci For. 1989;  47 282-307
• 18 Amaral M, Lopes M A, Silva R F, Santos J. Densification route and mechanical properties of Si₃N₄-bioglass biocomposites.  Biomaterials. 2002;  23 857-862
• 19 Dion I, Bordenave L, Lefebre F, Bareille R, Baquey C, Monies J R, Havlik P. Physico-chemistry and cytotoxicity of ceramics. Part II Cytotoxicity of ceramics.  J Mat Sci: Mat Med. 1994;  5 18-24
• 20 Kue R, Sohrabi A, Nagle D, Frondoza C, Hungerford D. Enhanced proliferation and osteocalcin production by human osteoblast-like MG63 cells on silicon nitride ceramic discs.  Biomaterials. 1999;  20 1195-1201
• 21 Svensson I, Artursson E, Leanderson P, Berglind R, Lindgren F. Toxicity in vitro of some silicone carbides and silicon nitrides: Whiskers and powders.  Am J Ind Med. 1997;  31 335-343
• 22 Chawla A S. Toxicity evaluation of a novel filler free silicone rubber biomaterial by cell culture techniques.  J Biomed Mat Res. 1982;  16 501-508
• 23 Johnson H J, Northup S J, Seagraves P A. et al . Biocompatibility test procedures for materials evaluation in vitro. 1. Comparative test system sensitivity.  J Biomed Mater Res. 1983;  17 571-586
• 24 Rice R M, Hegyeli A F, Gourlay S J. et al . Biocompatibility testing of polymers: In vitro studies with in vivo correlation.  J Biomed Mater Res. 1978;  12 43-54
• 25 Northup S J. Mammalian cell culture models.  In: Handbook of Biomaterials Evaluation. Scientific, Technical, and Clinical Testing of Implant Materials. New York; Macmillan Publishing Company 1988: 209-225
• 26 Wallin R F, Arscott E F. A practical guide to ISO 10993-5: Cytotoxicity. http://www.devicelink.com/mddi/archive/98/04/013.htm
• 27 Johnsson R I, Hegyeli A F. Tissue culture techniques for screening of prosthetic materials.  Ann N Y Acad Sci. 1968;  146 66-76
• 28 Tas J, Westerneng G. Fundamental aspects of the interaction of propidium diodide with nucleic acids studied in a model system of polyacrylamide films.  J Histochem Cytochem. 1981;  29 929-936
• 29 Crissman H A, Steinkamp J A. A new method for rapid and sensitive detection of bromodexyuridine in DNA-replicating cells.  Exper Cell Res. 1987;  173 256-261
• 30 Latt S A, Stetten G. Spectral studies on 33258 Hoechst and related bibenzimidazole dyes useful for fluorescent detection of deoxyribonucleic acid synthesis.  J Histochem Cytochem. 1976;  24 24-33
• 31 Wilsnack R E, Meyer F J, Smith J G. Human cell culture toxicity testing of medical devices and correlation to animal tests.  Biomat Med Dev Art Org. 1973;  1 543-562
• 32 Gross U, Schmitz H J, Kinne R, Fendler F R, Strunz V. Tissue or cell culture versus in vivo testing of surface-reactive biomaterials. In: Pizzoferrato A, Marchetti PG, Raviglioli A, Lee AJC (Hrsg) Advances in Biomaterials 7: Biomaterials and clinical applications. Amsterdam; Elsevier 1987: 547-556

1 DFG Ja 205/9 - 1/2