Biomaterialoberflächen, insbesondere deren Mikro-Topographie, beeinflussen viele zellbiologische Prozesse, deren komplexe Zusammenhänge immer noch nicht vollständig aufgeklärt wurden. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Aufklärung des Phänomens, dass Mikro-Pfostentopographien eine Umorganisation des Aktinzytoskeletts in humanen Osteoblasten bewirken. Es konnte gezeigt werden, dass humane MG-63 Osteoblasten an der Oberfläche-fixierte Mikro-Pfosten (1x1x1 µm bis 5x5x5 µm) durch Caveolae-vermittelte Phagozytose internalisieren. Diese Phagozytose bewirkte die lokale Umorganisation des Aktinzytoskeletts und induzierte einen gesteigerten Energieverbrauch (gekennzeichnet durch erhöhte ATP-Metabolisierung und mitochondrialer Aktivität sowie der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies(ROS)). Dies wiederum resultierte in einer beeinträchtigten Expression von Proteinen, welche spezifisch für die Osteoblastfunktion sind, wie u.a. Collagen, Fibronektin, Osteocalcin oder Alkalische Phosphatase. Ähnliche zelluläre Reaktionen bezüglich des Aktinzytoskeletts, des Energiestoffwechsels und der Osteoblastenfunktion wurden bei Mikro-Partikel-phagozytierenden Osteoblasten gefunden. Auch auf rauem, stochastisch strukturiertem Titan, modifiziert mittels Korundstrahlen, waren analoge Zellantworten hinsichtlich der ATP-Metabolisierung, ROS-Produktion sowie Cav-1und Aktinzytoskelettorganisation zu beobachten. Diese Ergebnisse weisen ebenso auf eine Phagozytose der Oberflächentopographie aus spezifischen Kanten, Graten und Spitzen bestehend dieser bereits kommerziell verwendeten Implantatoberflächen hin. Osteoblasten sind adhärente Zellen. Für die Aufrechterhaltung ihrer Osteoblastenfunktion sind sie bestrebt, den größtmöglichen Zell-Kontakt zur Materialoberfläche herzustellen, weshalb sie versuchen, sowohl die Erhöhungen der rauen Mikro-Strukturierung, als auch die geometrischen Mikro-Pfosten zu internalisieren. Eine Beschichtung der Mikro-Pfosten mit dem zelladhäsiven Plasmapolymer PPAAm begünstigt die Zelladhäsion sowie -ausbreitung und führte dadurch zu einer verbesserter Osteoblastenfunktion. Die gezeigten Zellreaktionen auf den verwendeten, artifiziellen Mikro-Pfostentopographien unterstreichen die Bedeutung der Zell-Material-Kontaktfläche für die Erhaltung der Osteoblastenfunktion.
Cells are sensitive to their underlying topography and especially micro-topography offers cues that evoke large ranges of cell responses, but the complex interplay is not completely understood. The overall question of this thesis was why cells organize their actin cytoskeleton in a mimicry fashion on the geometric micro-pillar topographies? The performed experiments discovered an attempted caveolae-mediated phagocytosis of the surface-fixed micro-pillars (1x1x1 µm up to 5x5x5 µm) by human MG-63 osteoblastic cells, which explained the local actin rearrangement. This attempt to phagocytize the cubic elevations of the Ti surface results in higher energy requirements for the cells, as indicated by enhanced ATP metabolization and mitochondrial activity, leading to increased intracellular reactive oxygen species (ROS) generation and finally to impaired osteoblast function, characterized by a decreased expression of osteoblast marker proteins such as collagen, fibronectin, osteocalcin or alkaline phosphatase. Similar cell responses regarding the actin cytoskeleton, energy metabolisms and osteoblast function were also observed for the osteoblasts treated with micro-particles as phagocytosis trigger. Osteoblasts growing on stochastic rough Ti surfaces, modified by corundum blasting and commercially used as implant surfaces, showed analogous cell responses regarding the ATP metabolism, ROS production as well as Cav-1 and actin organization. These results indicate as well a phagocytosis of the elevated surface structures, such as edges, ridges or spikes. Osteoblasts, as attachment dependent cells, try to establish the highest surface-cell contact to maintain their osteoblast specific function. Therefore, they attempt to internalize the micro-rough, as well as micro-pillared topography features. Coating of the micro-pillared topography with the cell-adhesive layer PPAAm resulted in an accelerated micro-pillar uptake by the osteoblasts and a less impaired osteoblast specific cell function.