Einfluss von nanostrukturierten Titanoberflächen auf das osteogene Differenzierungsverhalten von humanen mesenchymalen Stammzellen in Kombination mit chemischen und biologischen Oberflächenmodifikationen (NanoTune)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer; Privatdozent Dr. Adrian Keller
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 361028671

Der Einfluss von anisotropen, geordneten Oberflächentopographien im unteren Nanometerbereich auf das Zellverhalten humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSC) ist bislang noch unzureichend erforscht. Topographien mit vertikalen Dimensionen im einstelligen sowie lateralen Dimensionen im zweistelligen Nanometerbereich, insbesondere in Kombination mit definierten chemischen und proteinbiochemischen Oberflächenmodifikationen, beinhalten hohes Potential, osteogenes Zellanwachsverhalten maßgeblich zu beeinflussen. Hierdurch könnte die Osseointegration von z. B. dentalen und orthopädischen Implantaten verbessert werden. Im vorliegenden Projekt soll daher die Hypothese ergründet werden, dass entsprechende Nanostrukturen auf Titan-Substraten, sowohl nativ als auch verstärkt mit chemisch/biologischer Modifikation signifikanten Einfluss auf das Adsorptionsverhalten von Proteinen, sowie auf das Adhäsions-, Migrations-, und osteogene Differenzierungsverhalten von hMSC nehmen können. Durch niederenergetische Ionenbestrahlung werden geordnete wellenförmige Rippelmuster mit lateralen Perioden im Bereich einiger zehn Nanometer sowie Höhen im Bereich von < 1 nm bis zu 5 nm auf den Substratoberflächen erzeugt. Durch Silanisierung und anschließendes gerichtetes Crosslinking sollen individuelle Oberflächenmodifikationen erzeugt, sowie zwei für die Stammzelladhäsion, -migration, und -differenzierung wichtige Proteine, Vitronektin und Fibronektin, angekoppelt werden. Ebenfalls soll auf den unmodifizierten sowie chemisch funktionalisierten Oberflächen die unspezifische Adsorption dieser Proteine über oberflächenanalytische Methoden, insbesondere QCM-D, AFM und PM-IRRAS, sowie immunochemische Untersuchungen analysiert werden. Über Adhäsions-, Migrations- und Differenzierungsstudien soll im Anschluss die induzierte Zellantwort angesiedelter hMSC auf die unterliegenden Oberflächenkonditionen charakterisiert werden. Durch systematische Variation der jeweiligen topographischen und proteinbiochemischen Parameter werden hiermit die Einflüsse der Nanostrukturen sowie der verschiedenen Modifikationen auf das Zellverhalten untersucht. Hierzu dienen insbesondere umfangreiche In-Vitro-Untersuchungen der Morphologie sowie immunochemische Analysen des zellulären Aufbaus und Proliferations- und Differenzierungsverhaltens der hMSC. Die innerhalb dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse zur Stammzellantwort auf Strukturen im einstelligen Nanometerbereich können dazu beitragen, das Design und die Einsatzfähigkeit von Biomaterialien in zukünftigen Applikationen, z. B. orthopädischen und dentalen Implantaten, zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen