Resorbierbare Komposite mit Wachstumsfaktoren und Antibiotika zur dualen Wirkstofffreisetzung für die Behandlung von Knocheninfekten

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Michael Seidenstücker
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388988890

Ziel des Antrages ist die Entwicklung von mechanisch stabilen resorbierbaren Kompositen, welche sowohl Antibiotika als auch Wachstumsfaktoren freisetzen können und dabei eine Freisetzungsdauer von mindestens vier Wochen erreichen. Um eine rasche Translation in die Klinik zu erreichen, werden bereits bekannte und durch die FDA zugelassene Materialien verwendet. Die Basis des Komposits bildet dabei eine mikroporöse ß-TCP Keramik mit interkonnektierenden Poren. Diese poröse Keramik soll mit auf Alginat basierenden Hydrogelen befüllt werden. Dazu wurde bereits im Vorfeld ein neues Verfahren etabliert, welches eine vollständige Befüllung der porösen Keramik erreichen kann. Dazu ist es jedoch notwendig die Viskosität in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Hydrogele zu bestimmen. Die Hydrogele Alginat und Alginat-di-Aldehyd (ADA) dienen als Reservoir für die Wirkstoffe (Antibiotika und Wachstumsfaktoren) sowie zur Steuerung der Freisetzung. Durch in das Hydrogel eingebrachte Gelatine Nanopartikel, die mit dem Wachstumsfaktor beladen sind, soll eine weitere Verzögerung der Freisetzung erreicht werden. Es erfolgt zunächst eine Diffusion aus den Partikeln ins Hydrogel und erst dann ins Gewebe bzw. in die Umgebung. Damit soll eine verzögerte Freisetzung erreicht werden, bei der zunächst nur das Antibiotika freigesetzt wird um die Infektion zu bekämpfen und zu einem späteren Zeitpunkt die Freisetzung des Wachstumsfaktors einsetzt um das Knochenwachstum zu stimulieren. Die Antibiotika werden mittels Kapillar-zonenelektrophorese und einem Photodiodendetektor bei 190-300nm nachgewiesen. Eine entsprechende (reproduzierbare) Methode wurde bereits etabliert. Die Stabilität der Antibiotika wird mit dem gleichen Verfahren bestimmt, die des Wachstumsfaktors mittels Fluoreszenzspektroskopie. Anstelle des Wachstumsfaktors wird zunächst eine Modellsubstanz (Protein A + FITC) verwendet. Die Konzentration des Wachstumsfaktors soll mittels ELISA Kit bzw. der Modellsubstanz mittels Fluoreszenzmessung am Reader bestimmt werden. Die Biokompatibilität wird nach EN ISO 10993-5 in Zellkulturversuchen mit MG-63 Zellen, sowie humanen Osteoblasten überprüft. Die mikrobielle Wirksamkeit der freigesetzten Konzentrationen wird nach DIN 20776-1:2006 mittels Mikrotiterversuchen mit Staphylococcus aureus überprüft. Anschließend erfolgt die Bestimmung der minimalen Hemmkonzentration. Der Komposit mit der besten Biokompatibilität, Freisetzung sowie antimikrobiellen Wirksamkeit soll dann anschließend im Tiermodell untersucht werden. Dazu wird ein Knocheninfekt-Modell an Neu Seeland Kaninchen verwendet. 3 Wochen nach Induktion des Infekts werden die Komposite implantiert. Anschließend erfolgt die Bestimmung der Antibiotikakonzentration aus dem Blut der Tiere, sowie nach Ablauf des Untersuchungszeitraums mikrobielle, histologische und immunhistologische Untersuchungen des Gewebes an bzw. rund um die Implantationsstelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen