Regelmäßige Strukturen im Sub-Nanometer-Bereich beeinflussen das Verhalten von knochenbildenden Zellen

 

Wittenbrink I, Korsten A, Schickle K, Lauria I, Davtalab R, Foss M, Keller A, Fischer H (2015). Tailored response of osteoblast-like cells on ultra-shallow alumina nanopatterns. Biomaterials, DOI:10.1016/j.biomaterials.2015.05.026

Zusammenfassung

Es ist bekannt, dass Strukturen auf der Nanometer-Skala das zelluläre Verhalten beeinflussen können. Da Aluminiumoxid-Keramik im Bereich der Implantaologie eine wichtige Rolle einnimmt, wurde untersucht, ob durch regelmäßige Nanostrukturen auf der Oberfläche dieses Werkstoffes Einfluss auf knochenbildende Zellen ausgeübt werden kann. Mittels Ionenstrahltechnik wurden dazu auf Aluminiumoxid-Einkristallen periodisch angeordnete Nanowellen mit verschiedenen Struktur-Abständen und -Höhen erzeugt. Durch die Nanostrukturen konnte das Wachstum der Zellen erhöht werden. Außerdem richteten sich die Pseudopodien der Zellen entlang der Nanowellen aus. Das Adhäsionsverhalten und die Zellmorphologien wurden im Detail analysiert. Wir konnten mit dieser Studie erstmals nachweisen, dass knochenbildende Zellen in der Lage sind, Oberflächenstrukturen mit Strukturhöhen von weniger als einem Nanometer zu erkennen. Dies bedeutet, dass durch Feinststrukturen an der Oberfläche von Implanten im Sub-Nanometerbereich die Reaktion von Zellen gezielt beeinflusst werden kann.

Abstract

Topographical features on the nanometer scale are known to influence cellular behavior. The response of specific cell types to various types of surface structures is currently still being investigated. Alumina ceramics play an important role as biomaterials, e.g., in medical and dental applications. In this study, we investigated the influence of nanoscale surface features with low aspect ratio (< 0.1) on the response of osteoblast-like MG-63 cells. To this end, low-energy ion irradiation was employed to produce shallow nanoscale ripple patterns on Al2O3(0001) surfaces with lateral periodicities of 24 nm and 179 nm and heights of only 0.7 and 11.5 nm, respectively. The nanopatterning was found to increase the proliferation of MG-63 cells and may lead to pseudopodia alignment along the ripples. Furthermore, focal adhesion behavior and cell morphology were analyzed. We found that MG-63 cells are able to recognize surface nanopatterns with extremely low vertical variations of less than 1 nm. In conclusion, it is shown that surface topography in the sub-nm range significantly influences the response of osteoblast-like cells.