In-vitro Evaluation von Polylaktid, hergestellt durch Fused Deposition Modeling

Background: With additive manufacturing (AM) individual and biocompatible implants can be generated by using suitable materials. The aim of this study was to investigate the biological effects of polylactic acid (PLA) manufactured by Fused Deposition Modeling (FDM) on osteoblasts in vitro according to European Norm / International Organization for Standardization 10,993–5. Method: Human osteoblasts (hFOB 1.19) were seeded onto PLA samples produced by FDM and investigated for cell viability by fluorescence staining after 24 h. Cell proliferation was measured after 1, 3, 7 and 10 days by cell-counting and cell morphology was evaluated by scanning electron microscopy. For control, we used titanium samples and polystyrene (PS). Results: Cell viability showed higher viability on PLA (95,3% ± 2.1%) than in control (91,7% ±2,7%). Cell proliferation was highest in the control group (polystyrene) and higher on PLA samples compared to the titanium samples. Scanning electron microscopy revealed homogenous covering of sample surface with regularly spread cells on PLA as well as on titanium. Conclusion: The manufacturing of PLA discs from polylactic acid using FDM was successful. The in vitro investigation with human fetal osteoblasts showed no cytotoxic effects. Furthermore, FDM does not seem to alter biocompatibility of PLA. Nonetheless osteoblasts showed reduced growth on PLA compared to the polystyrene control within the cell experiments. This could be attributed to surface roughness and possible release of residual monomers. Those influences could be investigated in further studies and thus lead to improvement in the additive manufacturing process. In addition, further research focused on the effect of PLA on bone growth should follow. In summary, PLA processed in Fused Deposition Modelling seems to be an attractive material and method for reconstructive surgery because of their biocompatibility and the possibility to produce individually shaped scaffolds.Hintergrund und Ziele: Durch den Einsatz von biomechanisch geeigneten und biokompatiblen Materialien können mittels 3D-Druck (engl.: additive manufacturing (AM)) individuelle Implantate hergestellt werden. Dieser Herstellungsprozess kann die Materialeigenschaften und damit auch die Biokompatibilität verändern. In dieser Studie wurde das als biokompatibel geltende Polylaktide (PLA) durch Schmelzschichtung (fused deposition modeling (FDM)) zu Scheiben verarbeitet. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss dieses Herstellungsprozesses auf die Biokompatibilität von Osteoblasten in einer in vitro Kultur gemäß DIN EN ISO 10993-5 zu untersuchen. Material und Methoden: In dieser Studie wurden humane Osteoblasten (hFOB 1.19) auf PLA Scheiben kultiviert, welche mittels FDM hergestellt worden waren. Als Kontrollgruppe dienten Titan- und Polystyrolproben. Im Anschluss erfolgten Biokompatibilitätstestungen. Zunächst wurde die Zellviabilität durch eine Fluoresceindiacetat- (FDA; 10 μg/mL in PBS. Invitrogen, Germany) und Propidiumiodid-Färbung (PI; 50 μg/mL in PBS, Invitrogen, Germany) Färbung nach 24 Stunden Kultivierungszeit dargestellt. Die Zellproliferation wurde nach 1, 3, 7 und 10 Tagen durch Zellzählung gemessen. Die Zellmorphologie wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie bestimmt. Ergebnisse: Die Zellviabilität, also der Anteil lebender Zellen in einer Zellpopulation, war bei PLA (95,3% ± 2,1%) höher als in der Titan-Kontrollgruppe (91,7% ±2,7%). Die höchste Zellproliferation war in der Polystyrol-Kontrollgruppe zu finden, gefolgt von den PLA-Proben. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte eine homogene Verteilung der regelrecht ausgebreiteten Osteoblasten sowohl auf den PLA- als auch auf den Titanproben. Schlussfolgerung: Die Herstellung von PLA-Scheiben aus Polylaktiden mittels FDM konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die In-vitro-Untersuchungen mit humanen fetalen Osteoblasten konnten keinen zytotoxischen Effekt der PLA-Scheiben aufzeigen. Ferner scheint FDM die Biokompatibilität von PLA nicht zu verändern. Dennoch zeigten Osteoblasten auf PLA-Proben im Vergleich zur Polystyrol-Kontrolle ein reduziertes Zellwachstum. Dies könnte durch die Oberflächenrauigkeit oder eine mögliche Freisetzung von Restmonomeren bedingt sein und sollte in zukünftigen Studien untersucht werden, um so zu einer etwaigen Verbesserung des additiven Herstellungsprozesses zu führen. Ferner sollte der Einfluss von PLA auf das Knochenwachstum untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PLA, welches mittels Schmelzschichtung prozessiert wird, ein attraktives Material und eine attraktive Methode für rekonstruktive Eingriffe darstellt, um individuelle und biokompatible Implantate herzustellen