The effects of biomaterial components on bone cells

Abstract

Biomaterialien können als Alternative zur Transplantation von menschlichem oder tierischem Knochengewebe in der Therapie von diversen Knochendefekten vielseitig eingesetzt werden. Die 2-Photonen-Polymerisation bietet eine Möglichkeit zur innovativen Produktion von beliebigen dreidimensionalen Strukturen aus photosensitiven Materialien, bestehend aus Monomeren und Photoinitiatoren. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von drei ausgewählten Photoinitiatoren (Irgacure 2959, Irgacure 369 und Ini1) sowie der zwei Monomere Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA) und Polyethylenglycoldimethacrylat (PEGDMA) auf verschiedene Zelltypen getestet, um deren Zytotoxizität zu ermitteln. Die Substanzen wurden im entsprechenden Zellkulturmedium gelöst und für 72 h mit den Zellen inkubiert. Um die Beeinträchtigung von Wachstum und Viabiliät der Zellen durch verschiedene Konzentrationen der Photoinitiatoren oder Monomere zu ermitteln, wurde danach die Zellzahl von Osteoblasten, NIH 3T3 und RAW 264.7 Zellen mittels CASY Zellzählgerät bestimmt, wohingegen Osteoklasten TRAP-gefärbt und im Mikroskop gezählt wurden. Im Vergleich mit Irgacure 2959 und Irgacure 369 weist der experimentelle Photoinitiator Ini1 die höchste Wasserlöslichkeit gepaart mit niedriger Zytotoxizität auf und erscheint daher am geeignetsten. PEGDMA erwies sich als weniger zytotoxisch im Vergleich mit PEGDA. Allerdings ist es unumgänglich, Struktur und Freisetzungscharakteristik von Abbauprodukten der Biomaterialien zu untersuchen, um Vorhersagen bezüglich der Biokompatibilität in vivo treffen zu können.Biomaterial scaffolds are used in bone grafting as alternatives to naturally derived tissue. A possible way to fabricate arbitrary three-dimensional structures is the two photon polymerization of photosensitive materials consisting of monomers and photoinitiators. In this work, the three photoinitiators Irgacure 2959, Irgacure 369 and Ini1 as well as the two monomers poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) and poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) were tested with different cell types to assess their cytotoxicity. The substances were dissolved in the appropriate cell culture medium and incubated with the cells for 72 hours. To assess the impairment of cell viability and growth by different concentrations of the monomers or photoinitiators, cell number of osteoblasts, NIH 3T3 and RAW 264.7 was determined with a CASY cell counter at the end of the experiments, while osteoclasts were TRAP-stained and counted using a microscope. The experimental photoinitiator Ini1 appeared to be the most favourable compared to Irgacure 2959 and Irgacure 369. It exhibited highest water solubility and lowest cytotoxicity. PEGDMA generally showed lower cytotoxicity than PEGDA, but it is important to also determine structure and release profile of degradation products to predict biocompatibility of a biomaterial scaffold in vivo