Improvement of osseointegration: Guiding cells with external factors including a novel surface microstructure and recognizing bacterial infections

Thumbnail Image

Files

isbn9789526050379.pdf (8.5 MB)
errata_of_article_P2.pdf (22.43 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-03-15
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2013

Department

Elektroniikan laitos
Department of Electronics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

98 + app. 82

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 34/2013

Abstract

The aim of this study was to find methods that could potentially improve the osseointegration of an implant. The prerequisites for implant integration into bone are the adhesion of the osteoblastic cells and the ability of the progenitor cells (stem cells) to differentiate into bone cells on the surface of the implant. It was found that patterning with diamond-like carbon, Cr, Ta or Ti improved the cytocompatibility of Si substrates with osteoblastic cells and mesenchymal stem cells (MSC). The patterns affected the density of the cells, causing local cellular spots on the patterns initiating the clustering of the cells and the cell–cell contacts, which are considered necessary for osteogenesis. Indeed, patterning improved the osteogenic differentiation of MSCs compared to planar non-patterned surfaces. With three-dimensional surfaces, the aim was to promote tissue-like growth and activationof the cytoskeleton; many previous studies have shown that this improves osteogenesis. However, this work showed that activation of the cytoskeleton alone is not osteoinductive. The osteoblastic differentiation of MSCs on 20 μm high pillars was studied, and it was found that the cytoskeleton of the cells was highly activated, but that osteogenesis was not stimulated; in fact, it was suppressed. The likely reason for this behaviour was the failure of adequate osteoinductive cell–cell contacts. In addition to growth substrate variables, the fate of the stem cells is regulated by physicalforces and soluble factors. It was found that pulsed electromagnetic fields improved the viability of the MSCs, but that they had no significant effect on their osteogenic differentiation at the relatively low seeding density used here. In contrast, a prohormone (dehydroepiandrosterone, DHEA) improved osteogenesis at least in part due to an intracrine conversion of DHEA into a sex steroid (dihydrotestosterone), but also via some other as yet undefined mechanisms. In addition to the integration of implants with tissues via contact with other cells and extracellular matrix, another important factor regulating implant integration and the lifetime of the implant is the amount of contact it has with commensials and pathogenic microbes, in particular bacteria. Diagnostics of peri-implant infections is usually based on the bacterial culture, neutrophil infiltrates and other methods. Nonetheless, the current methods are not reliable enough. In the final part of this thesis, two methods that could potentially be utilised to diagnose implant infections were evaluated. It was found that time-of-flight secondary ion mass spectrometry is a potential tool for differentiating of acellular bacterial from eukaryotic footprints (i.e. extracellular polymeric substance and extracellular matrix produced by the respective cells) and may have potential for the post-hoc diagnosis of colonisation, biofilm formation and implant-related infections even in culture negative cases.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli kehittää menetelmiä, joilla implantin kiinnittymistä luuhun voidaan edistää. Implantin kudosintegraation kannalta on tärkeää, että solut kiinnittyvät implantin pintaan ja että kantasolut kykenevät erilaistumaan luusoluiksi implantin pinnalla. Tutkimuksessa havaittiin, että kun piin pinta kuvioitiin eri materiaaleilla (timantinkaltainen hiili, Cr, Ta tai Ti), bioyhteensopivuus luusolujen ja kantasolujen kanssa parani. Kuviot edesauttoivat solujen paikallista konsentroitumista, mikä voi aiheuttaa soluryppäiden syntymisen ja edesauttaa solujen välisiä kontakteja, jotka ovat edellytyksenä osteogeneesille. Kuvioidun pinnan havaittiinkin edistävän luunmuodostusta verrattuna sileään pintaan. Kolmiulotteisten pintojen avulla tavoitteena oli tukea solujen kolmiulotteista kasvua ja solutukirangan aktivoitumista, jonka on todettu edistävän luunmuodostusta lukuisissa aikaisemmissa tutkimuksissa. Tässä tutkimuksessa kuitenkin havaittiin, että pelkkä tukirangan aktivoituminen ei riitä aiheuttamaan luunmuodostusta. Kantasolujen erilaistumista tutkittiin pilaripinnoilla, joilla 20 μm pilareihin kiinnittyneiden solujen tukiranka aktivoitui voimakkaasti, mutta luunmuodostus oli kontrolleihin verrattuna vähäistä. Tähän todennäköisenä syynä oli kiinnittymiskohtiensa välillä venyvien yksinäisten solujen välisten kontaktien vähäisyys, mitkä myös ovat välttämättömiä luunmuodostukselle. Materiaalin lisäksi kantasolujen erilaistumiseen voidaan vaikuttaa fysikaalisilla voimilla ja liukoisilla tekijöillä. Tutkimus osoitti pulssitettujen sähkömagneettisten kenttien edistävän solujen eloonjäämistä ja jakautumista, mutta luun muodostuksessa kentillä ei ollut vaikutusta kokeissa käytetyillä alhaisilla solutiheyksillä. Sukupuolihormonien esiasteen, dehydroepiandrosteroinin, havaittiin muokkautuvan soluissa aktiiviseksi sukupuolihormoniksi (dihydrotestosteroniksi) ja edistävän luunmuodostusta, mutta tukevan luunmuodostusta jossain määrin myös joidenkin muiden mekanismien kautta. Kudoskontaktin lisäksi toinen merkittävä seikka, joka vaikuttaa implantin integroitumiseen ja elinikään, on kontakti normaalin mikrobiflooran ja patogeenien kanssa. Bakteeri-infektioiden diagnosoiminen nykyisillä bakteeriviljelyihin, neutrofiilikertymiin ja muihin seikkoihin perustuvilla menetelmillä ei ole kyllin luotettavaa. Väitöskirjan viimeisessä osiossa tutkittiin kahta potentiaalista uutta menetelmää bakteeri-infektioiden tunnistamiseen. Lentoaikaerotteisella sekundaari-ioni massaspektrometrilla (ToF-SIMS) oli mahdollista erottaa bakteerien tuottamat jalanjäljet (solunulkoinen polymeerinen aines) eukaryoottisolujen tuottamista jalanjäljistä (soluväliaine). Väärien negatiivisten bakteeriviljelyiden osalta ToF-SIMS menetelmällä on potentiaalia implantin pinnalla esiintyneiden bakteeri-infektioiden osoittamiseen.

Description

Supervising professor

Paulasto-Kröckel, Mervi, Prof., Aalto University, Finland

Thesis advisor

Konttinen, Yrjö T., Prof., University of Helsinki, Finland

Keywords

osseointegration, microfabrication, pulsed electromagnetic fields, dehydroepiandrosterone, ToF-SIMS, osseointegraatio, mikrovalmistus, pulssitetut magneettikentät, dehydroepiandrosteroni, ToF-SIMS

Other note

Parts

  • [Publication 1]: E Kaivosoja, S Myllymaa, V-P Kouri, K Myllymaa, R Lappalainen and YT Konttinen. Enhancement of silicon using micro-patterned surfaces of thin films. Eur Cell Mater, 19:147–157, April 2010.
  • [Publication 2]: S Myllymaa, E Kaivosoja, K Myllymaa, H Korhonen, R Lappalainen and YT Konttinen. Adhesion, spreading and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured on micropatterned amorphous diamond, titanium, tantalum and chromium coatings on silicon. J Mater Sci Mater Med, 21:329–341, August 2009.
  • [Publication 3]: E Kaivosoja, S Myllymaa, Y Takakubo, H Korhonen, K Myllymaa, YT Konttinen, R Lappalainen and M Takagi. Osteogenesis of human mesenchymal stem cells on micro-patterned surfaces. Accepted for publication in J Biomater Appl, November 2011.
  • [Publication 4]: E Kaivosoja, P Suvanto, G Barreto, S Aura, A Soininen, S Franssila and YT Konttinen. Cell adhesion and osteogenic differentiation on threedimensional pillar surfaces. J Biomed Mater Res A, 101A:842–852, July 2012.
  • [Publication 5]: E Kaivosoja, V Sariola, Y Chen and YT Konttinen. The effect of pulsed electromagnetic fields and dehydroepiandrosterone on viability and osteoinduction of human mesenchymal stem cells. Accepted for publication in J Tissue Eng Regen Med, August 2012.
  • [Publication 6]: E Kaivosoja, S Virtanen, R Rautemaa, R Lappalainen and YT Konttinen. Spectroscopy in the analysis of bacterial and eukaryotic cell footprints on implant surfaces. Eur Cell Mater, 24:60–73, July 2012.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-5037-9

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC