Forschungsbereich

Biomaterialien

Bioaktive Beschichtungen

Beeinflussung der Zelldifferenzierung durch Wachstumsfaktoren

Entscheidend für das Einwachsen eines Implantats in umgebendes Hartgewebe (Knochen, Zahn), seine dauerhafte knöcherne Verankerung (Osseointegration) und somit auch seine Funktionserfüllung ist die chemische und morphologische Beschaffenheit der Implantatoberfläche. Eine geeignete Modifizierung der Oberfläche kann das Einwachsen des Implantats beschleunigen und somit den Heilungsprozess für den Patienten verkürzen, vor allem aber die Verankerung des Implantats im Knochen sowie die Implantatverträglichkeit verbessern. Andererseits kann sie so beschaffen sein, dass sich das Implantat im Falle der Wiederentfernung gut lösen lässt.

Als Material für die Beschichtung der Oberfläche bieten sich außerdem Substanzen an, die die Knochenbildung anregen. Proteinogene Wachstumsfaktoren aus der Gruppe der Bone Morphogenetic Proteins (BMP) haben diese Fähigkeit zur Induktion einer Knochenneubildung. Medizinisch relevant ist vor allem das BMP-2, welches in Form von rekombinantem humanem BMP-2 (rhBMP-2) und einer Matrix als Ersatz für körpereigenen Knochenspan eingesetzt wird. Um die osteoinduktiven Eigenschaften des rhBMP-2 nutzen zu können, muss es lokal in bestimmten Konzentrationen vorliegen.

Die Wirksamkeit des BMP-2 konnte durch Induktion der Aktivität der alkalischen Phosphatase in Maus-Präosteoblasten (MC3T3-E1) nachgewiesen werden (Bildfolge unten). Da rhBMP-2 gut wasserlöslich ist, kann ein nachhaltiger Effekt einer Beschichtung mit rhBMP-2 alleine nicht erreicht werden. Ausgehend von Addukten aus BMP-2 und ionischen Polymeren haben wir ein System entwickelt, das rhBMP-2 retardiert freisetzt. Für diese Addukte wurden natürliche, degradierbare Biopolymere auf der Basis von Polysacchariden mit verschiedenen anionischen und kationischen Gruppen modifiziert. Diese bilden mit dem rhBMP-2 in wässriger Lösung schwerlösliche Präzipitate, die auf den Implantaten gut haften. Die Zytokompatibilität der ionischen Polymere und die osteoinduktiven Eigenschaften des rhBMP-2, das aus diesen BMP-Polymeraddukten freigesetzt wurde, konnten in In-vitro-Versuchen nachgewiesen werden.
 

Wirkung von steigenden Konzentrationen an rhBMP-2 auf die Induktion der alkalischen Phosphatase (AP) in MC3T3-E1-Zellen (Phasenkontrastbild nach AP-Färbung)

Zelladhäsionsförderung

Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung des Einwachsverhaltens von Implantaten besteht in einer Stimulierung des Anwachsens von Zellen durch die Immobilisierung von zelladhäsionsfördernden Molekülen auf der Implantatoberfläche. Beispielsweise ist die Aminosäuresequenz Arginin-Glycin-Asparaginsäure (RGD-Sequenz) ein bekanntes Motiv vieler Proteine der extrazellulären Matrix. Insbesondere spielt sie eine wichtige Rolle bei der Integrin-Laminin-Bindung.

Für die Erzeugung RGD-funktionalisierter Oberflächen wurden in unserer Arbeitsgruppe neue Beschichtungssysteme für Implantatoberflächen aus Metall und Keramik entwickelt, die die Anbindung zellspezifischer Liganden ermöglichen. Auf mittels Wasserdampf-Plasmabehandlung voraktivierte Oberflächen wurde beispielsweise ein Haftvermittler aufgebracht, über dessen freie Aminogruppen anschließend die Anbindung von Carboxymethyldextran (CMD) erfolgte. Für die weitere Modifizierung wurde ein bifunktionelles Kupplungsreagenz an die ungebundenen Carboxylgruppen des CMD gekuppelt. Abschließend erfolgte die Anbindung eines RGD-Peptides durch einen Disulfid-Austausch. Die Charakterisierung der neuen Schicht erfolgte nach dem jeweiligen Beschichtungsschritt mittels XPS-Messung.

In In-vitro-Untersuchungen mit Mausfibroblasten (3T3-Zellen) konnte an Hand einer Vinculin-Immunofluoreszenzfärbung (in Kombination mit einer DAPI-Kernfärbung) gezeigt werden, dass die durchschnittliche Zellfläche der gespreiteten Zellen auf RGD-haltigen Dextranschichten im Vergleich zu RGD-freien Beschichtungen deutlich höher ist.
Neben den oben genannten Materialien können auch andere Haftvermittler, Polymere und zelladhäsionsfördernde Moleküle eingesetzt werden. Zur biologischen Testung kommen neben der Vinculin-Färbung auch Adhäsions-Waschtests, bei denen die Anzahl adhärenter Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt wird, in Frage.
 


Dr. Jürgen Weisser
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