Elektrochemisch gestützte Abscheidung spurenelementmodifizierter Calcium- und Magnesiumphosphatschichten auf Titan zur verbesserten Einheilung im osteoporotischen Knochen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Uwe Gbureck, seit 2/2017; Dr. Cornelia Wolf-Brandstetter
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250488887

Implantate aus Titan und seinen Legierungen sind seit Jahrzehnten bewährte Biomaterialien sowohl für lasttragende Anwendungen im Hartgewebe als auch für Implantationen in Weichgewebe. Trotz im Allgemeinen hoher Erfolgsraten hinsichtlich Einheilung und Liegezeiten besteht weiterhin Verbesserungsbedarf vor allem für Implantationen unter erschwerten Bedingungen, wie sie bei verminderter Qualität des Knochenlagers (z.B. im Fall systemischer Erkrankungen wie Osteoporose) vorliegen. Vor diesem Hintergrund verfolgt dieses Projekt das Ziel, die Osseointegration insbesondere in der initialen Einheilphase durch bioaktive anorganische Mediatoren zu unterstützen. Die Antragsteller gehen davon aus, dass dies zum einen durch die aktive Stimulation der Angiogenese durch Freisetzung von Kupfer- und Zinkionen, zum anderen durch die verbesserte Rekrutierung und Stimulierung von osteogenen Zellen durch chemotaktisch wirkende Zinkionen sowie durch die Reduktion der Osteoklastenaktivität mit Hilfe von Strontiumionen erreicht werden kann. In der ersten Projektphase konnte die Immobilisierung und kontrollierte Freisetzung der einzelnen Spurenelemente in Calcium- bzw. Magnesiumphosphatbeschichtungen aus Bruschit (CaHPO4 * 2H2O) bzw. Struvit (MgNH4PO4 * 6H2O) auf Titansubstraten realisiert werden. Die zweite zwölfmonatige Projektphase widmet sich der Herstellung und Charakterisierung von Beschichtungen die durch Kombination mehrerer Spurenelemente auf Synergieeffekte der jeweils spezifischen Wirkungen abzielen.Die Schichten werden physikochemisch hinsichtlich der quantitativen Schichtzusammensetzung, Morphologie, Kristallinität, Verteilung der eingelagerten Spurenelemente sowie deren Oxidationszustand untersucht. Insbesondere durch die Verknüpfung von Tiefenprofilen mittels focused ion beam (FIB) mit den Freisetzungsstudien in proteinhaltigen Medien, soll der Einfluss der lokalen Schichtzusammensetzung auf die Freisetzungskinetik analysiert werden.Zur Bewertung des angiogenen Potentials der erzeugten Schichten wird neben der Anwendung von Endothelzellmonokulturen in 2D- und 3D-Techniken zusätzlich die Ko-Kultur mit in vivo relevanten Zelltypen, speziell die Interaktion der Endothelzellen mit Monozyten sowie mit glatten Muskulaturzellen, herangezogen. Die Osteoblasten aktivierende Wirkung zinkhaltiger und die Osteoklasten hemmende Wirkung strontiumhaltiger Beschichtungen wird anhand der Besiedelung mit einer Osteoblasten- (MG63) bzw. einer Osteoklastenzellinie (RAW) beurteilt. In einer ersten tierexperimentellen Studie wird die Übertragung der Beschichtungen unter Einbeziehung von Strontium bezüglich des Aspektes der klinisch relevanten Konzentration sowie des Einflusses der Schichtmatrix (Struvit oder Bruschit) untersucht. Durch Ausnutzung der biologischen Effekte der eingelagerten Spurenelemente als Alternative zum Einsatz von Wachstumsfaktoren wird eine analoge Verbesserung des Implantationserfolges bei Minimierung des potentiellen Risikos erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Wolfgang Metzger
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Claus Moseke, bis 2/2017