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.

Siliziumnitrit-Keramik · Biokompatibilität · L929-Zellkultur

Silicon nitride · cytotoxicity · L929 cell line

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1 DFG Ja 205/9 - 1/2