Historically, biomaterials were designed to be inert and induce a minimal host response upon implantation. The traditional task of these replacement biomaterials was to structurally restore affected bone tissue in a hip or knee joint or in dental applications. More recently, not replacement but regenerative biomaterials, such as synthetic patches, are engineered to augment injured tissue. These scaffolds help to guide regenerating tissue, provide initial mechanical stability and resorb over time within the body.

Any foreign material that is implanted into a living tissue induces a host response that attempts to attain successful tissue regeneration. Advances in biomaterial functionality and improved understanding of the interaction with the host led to biomaterial design strategies that aim to direct the immune response to improve implant integration. These modern implant designs try to avoid the perpetuation of the inflammatory response known to result in chronic inflammation and foreign body reactions associated to implant loosening. Controlling the macrophage phenotype by these designs became of particular interest since their role in healing has been increasingly recognized in recent years. This is related to their ability to exhibit a spectrum of activation states involved in all phases of tissue regeneration, simplified known as the pro-inflammatory (M1-like) present in the initial phase and the anti-inflammatory (M2-like) phenotype promoting inflammatory resolution. Therefore, ‘immuno-modulatory’ design characteristics of biomaterials, which induce favorable immune response upon implantation, are beneficial. The complexity of interplay between biomaterial properties, microenvironment and loading conditions brings a deficit in our understanding of macrophage responses, and indicates the need for controlled in vitro models simulating the mechanical microenvironment of macrophages and tissue resident cells. Therefore, in the present thesis, we performed in vitro experiments to elucidate the cellular response to biomaterial contact and focused on three relevant aspects of biomaterial-host interaction. Namely, we studied the impact of biomaterial-derived nano- and microparticles, topographical cues, and tensile deformations, on the polarization of macrophages and the response of tissue-resident cells.

Peri-implantitis is associated to the release of wear particles by titanium (Ti) implants favoring osteolysis in its surrounding tissue and ultimately resulting in implant loosening. However, today it is not clear which size fraction of these wear particles is mostly responsible for macrophage activation inducing the inflammatory milieu and osteoclast activation. Therefore, we analyzed the polarization profile of macrophages stimulated with different sized TiO2 particles in the nano- and micrometer diameter range. Our results revealed that the macrophage polarization by TiO2 particles is size and concentration dependent indicates that size is as determinant factor in driving the biological response. Specifically, a polarization towards the M1- like phenotype was found for the highest concentration of the micro-sized particles. This increased understanding may guide the design of implant surface treatments for increased osteointegration, which preferably reduce the release of micro-sized particles.

Today, surface treatments and microstructuring of replacement and regenerative biomaterials aim to actively control cellular response and direct the healing process. For regenerative biomaterials these modifications specifically target macrophages polarization to ultimately promote tissue incorporation of implanted materials. In tendon, augmentation of surgical repairs using a synthetic engineered patch /scaffold can provide additional mechanical support in case of a rotator cuff tear. Currently used scaffolds in the clinic are not specifically designed to direct healing processes following implantation. Therefore, we hypothesized that the matrix topography of these scaffolds influences the matrix remodeling pathways in tendon fibroblasts. We tested this hypothesis by culturing human tendon fibroblasts (hTFs) on electrospun polycaprolactone (PCL) mats with either highly aligned or randomly oriented fiber structures, mimicking healthy and diseased tissue, respectively. We confirmed that hTFs morphology, phenotype and matrix turnover markers were significantly affected by matrix topography. In the present study, we showed that non-optimal biomaterial surfaces play a critical role in the outcome of the healing processes as they adversely affect early cell attachment and gene expression of hTFs. On the other side, these insightful studies indicated that highly aligned scaffolds are beneficial for tissue regeneration as they not only induce an elongated hTFs phenotype, but also promote matrix synthesis and homeostasis.

Given the increasingly appreciated role of inflammation as a main driver of tendon disease, a better understanding of the precise role of macrophages in the tissue healing processes is crucial. Culturing naïve (M0) macrophages on the electrospun PCL nanofiber mats exhibiting different fiber orientations revealed that disorganized topography alone could stimulate macrophage polarization towards a pro-inflammatory phenotype

In surgical repairs of torn tendons such biomaterial constructs are subject to deformations as a result of joint motion or muscle contraction. Thus, in the final study we further examined the impact of mechanical load on macrophage polarization and the following cross-talk with resident hTFs in a novel in vitro co-culture model. Our results revealed a significant increase in the pro-inflammatory (M1-like) macrophage population upon mechanical loading. Most strikingly, in direct co-culture of M0 macrophages and hTFs this effect was inverted, indicating a trend for a polarization towards the anti-inflammatory phenotype. To conclude, this study indicates a more profound response of macrophages to mechanical stimulus from the biomaterial substrate than that of hTFs, suggesting a central role for macrophages as mechano-sensory cells in tendon repair.

In this work we developed and utilized a range of in vitro models for the study of cell-biomaterial contact and further simulate the mechanical environment upon biomaterial implantation. The models enable the study of stromal and immune cell cross-talk and allow us to increase our understanding of tissue repair following injury. Taken together, this thesis provides evidence for the importance of biomaterial design factors driving the complex healing process towards inflammatory resolution.

Historisch gesehen wurden Biomaterialien so konzipiert, dass sie inert sind und bei der Implantation eine minimale Abstossungsreaktion des Körpers hervorrufen. Die ursprüngliche Aufgabe dieser Ersatz-Biomaterialien, sogenannte replacement Biomaterialien, bestand darin, betroffenes Knochengewebe in einem Hüft- oder Kniegelenk oder in dentalen Anwendungen strukturell wiederherzustellen. In jüngster Zeit werden neben replacement zunehmend auch regenerative Biomaterialien, wie beispielsweise synthetische Füllstücke, entwickelt, um verletztes Gewebe zu verstärken. Diese gewebeverstärkenden Konstrukte helfen regenerierendes Gewebe zu lenken, bieten eine anfängliche mechanische Stabilität und lösen sich mit der Zeit im Körper auf.

Jedes Fremdmaterial, das in ein lebendes Gewebe implantiert wird, löst eine Reaktion im Körper aus, um eine erfolgreiche Geweberegeneration zu erreichen. Fortschritte in der Funktionalität von Biomaterialien und ein besseres Verständnis der Interaktion mit dem Wirt führten zu neuen Designstrategien. Moderne Implantatdesigns zielen darauf ab, die Immunantwort zu steuern, um die Implantatintegration zu verbessern und versuchen daher die initiale Entzündungsreaktion zu limitieren, die zu chronischen Entzündungen und Fremdkörperreaktionen führen kann. Die Kontrolle des Makrophagen-Phänotyps durch diese Designs weckte in den letzten Jahren besonderes Interesse. da die zentrale Rolle dieser Zellen bei der Heilung in den letzten Jahren zunehmend anerkannt wurde. Dank ihrer Fähigkeit verschiedene Aktivierungszustände anzunehmen, die in allen Phasen der Geweberegeneration involviert sind, wurde diesen Zellen eine zentrale Rolle bei der Heilung zugeschrieben. Vereinfacht werden Makrophagen-Phänotypen als entzündungsfördernder (M1-ähnlich) und als entzündungshemmender (M2-ähnlich) Phänotyp bezeichnet. Der M1- ähnliche initiiert die Entzündungsreaktion in der Anfangsphase wobei der M2-ähnliche Phänotyp ein Stoppen der Entzündung herbeiführt. Daher sind "immunmodulatorische" Designmerkmale von Biomaterialien, die bei der Implantation eine günstige Immunantwort hervorrufen, von Vorteil. Das komplexe Zusammenspiel von Biomaterialeigenschaften, Mikroumgebung und Belastungsanforderungen führte zu einem Defizit im Verständnis von Makrophagenreaktionen und folglich zu einer Notwendigkeit von kontrollierten in vitro Modellen, die die mechanische Mikroumgebung von Makrophagen und gewebeansässigen Zellen simulieren. Daher haben wir in der vorliegenden Arbeit in vitro Experimente durchgeführt, um die zelluläre Reaktion auf Grund des Kontaktes mit dem Biomaterial zu untersuchen und uns auf drei relevante Aspekte der Interaktion zwischen Biomaterial und Wirt konzentriert. Im speziellen untersuchten wir den Einfluss von biomaterialbasierten Nano- und Mikropartikeln, von topographischen Merkmalen und von Verformungen unter Zugbelastung auf die Polarisierung von Makrophagen und die Reaktion von gewebeansässigen Zellen.

Periimplantitis ist mit der Freisetzung von Verschleisspartikeln durch Titan- (Ti)-Implantate verbunden. Dies begünstigt Osteolyse im umliegenden Gewebe, was letztendlich zu einer Lockerung des Implantates führt. Bis heute ist es jedoch unklar, welche Partikelgrösse dieser Verschleisspartikel primär für die Makrophagenaktivierung verantwortlich ist, die das entzündliche Milieu und die Osteoklastenaktivierung herbeiführt. Daher analysierten wir das Polarisationsprofil von Makrophagen, die mit unterschiedlich grossen TiO2-Partikeln im Nano- und Mikrometerdurchmesserbereich stimuliert wurden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Makrophagenpolarisation durch TiO2-Partikel grössen- und konzentrationsabhängig ist und dass Grösse ein bestimmender Faktor für die Steuerung der biologischen Reaktion darstellt. Insbesondere wurde eine Polarisation in Richtung des M1-ähnlichen Phänotyps für die höchste Konzentration der mikroskopischen Partikel gefunden. Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht eine optimale Gestaltung von Implantatoberflächen, die förderlich für eine verstärkte Osteointegration sind und vorzugsweise die Freisetzung von mikroskopisch grossen Partikeln reduzieren.

Heute zielen Oberflächenbehandlungen und Mikrostrukturierungen von replacement- und regenerativen Biomaterialien darauf ab, die Zellreaktion aktiv zu steuern und den Heilungsprozess zu lenken. Bei regenerativen Biomaterialien beabsichtigen diese Modifikationen speziell die Polarisation der Makrophagen zu beeinflussen, um letztendlich die Gewebeintegration von implantierten Materialien zu fördern. In der Sehne kann die Verstärkung von chirurgischen Eingriffen mit einem synthetisch hergestellten Gewebekonstrukt zusätzliche mechanische Unterstützung im Falle einer Reparatur eines Rotatorenmanschettenrisses bieten. Die derzeit in der Klinik verwendeten Konstrukte sind nicht speziell darauf ausgelegt, die postoperative Heilung zu steuern. Daher haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die Matrixtopographie dieser Konstrukte die Matrixumgestaltungsprozesse von Sehnenfibroblasten beeinflusst. Wir haben diese Hypothese getestet, indem wir menschliche Sehnenfibroblasten auf elektrogesponnenen Polycaprolacton-(PCL)-Matten entweder mit in Linien ausgerichteten oder mit zufällig orientierten Faserstrukturen kultivierten, die gesundes bzw. krankes Gewebe nachahmten. Wir konnten erfolgreich nachweisen, dass die Morphologie, Phänotyp und Matrixubaumarker von Sehnenfibroblasten signifikant von der Matrixtopographie beeinflusst wurden. In der vorliegenden Studie haben wir zudem gezeigt, dass nicht-optimale Biomaterialoberflächen eine entscheidende Rolle für das Ergebnis der Heilungsprozesse spielen, da sie die frühe Zellanhaftung und Genexpression von Sehnenfibroblasten beeinträchtigen. Auf der anderen Seite zeigten diese neuartigen Ergebnisse, dass linienförmig ausgerichtete Konstrukte für die Geweberegeneration von Vorteil sind, da sie nicht nur einen länglichen Sehnenfibroblast-Phänotyp induzierten, sondern auch die Matrixsynthese und Homöostase förderten.

Angesichts der zunehmend anerkannten Wichtigkeit der Entzündung als Hauptinitiator einer Sehnenerkrankung ist ein besseres Verständnis der genauen Rolle der Makrophagen in den Gewebeheilungsprozessen, insbesondere ihrer Reaktion auf implantierte Konstrukte, entscheidend. Die Kultivierung naiver (M0) Makrophagen auf den elektrogesponnenen PCL-Nanofasermatten, die die verschiedenen Faserorientierungen aufwiesen, zeigte, dass die desorganisierte Topographie allein die Polarisierung in Richtung des entzüdungsfördernden Phänotyps stimulierte.

Bei der chirurgischen Reparatur von Sehnenrissen unterliegen diese implantierten Konstrukte Verformungen durch Gelenkbewegungen oder Muskelkontraktionen. So haben wir in der vorliegenden Studie den Einfluss der mechanischen Belastung auf die Makrophagenpolarisation und der anschliessenden Interaktion mit ansässigen Sehnenfibroblasten in einem neuartigen in vitro Co-Kulturmodell weiter untersucht. Unser Ergebnis zeigte einen signifikanten Anstieg der entzüdungsfördernden Makrophagenpopulation durch mechanische Belastung. Am auffälligsten war, dass in der direkten Co-Kultur von M0-Makrophagen und Sehnenfibroblasten dieser Effekt umgekehrt wurde, was auf einen Trend zur Polarisierung in Richtung des anti-inflammatorischen Phänotyps hindeutet. Abschliessend zeigte diese Studie eine stärkere Reaktion der Makrophagen auf mechanische Reize des Biomaterials als Sehnenfibroblasten, was auf eine zentrale Rolle der Makrophagen als mechanosensorische Zellen bei der Sehnenreparatur hindeutet.

In dieser Arbeit stellen wir eine neuartige in vitro Plattform für die Untersuchung des Zell-Biomaterial-Kontakts vor und simulieren die mechanische Umgebung bei der Biomaterial-implantation. Das Modell ermöglicht die Untersuchung der Interaktion von Bindegewebs- und Immunzellen und hilft, das Verständnis der Gewebereparatur nach Verletzungen zu verbessern. Zusammenfassend liefert diese Arbeit den Beweis, dass Biomaterial-Designfaktoren einen bedeutenden Einfluss auf die komplexen postoperativen Heilungsprozesse haben und zeigt erste Ansätze, ein Stoppen der Entzündungsantwort zu initiieren.