Organo-chemical modification of titanium alloy and zirconia surfaces to achieve tight gingival adhesion (GingiSeal)
Biomaterials
Final Report Abstract
Ziel dieser Studie war die Etablierung und Charakterisierung verschiedener organo-chemischer Beschichtungssysteme auf den klinisch etablierten Dentalabutment-Werkstoffen Y-TZP und Ti6Al4V. Hierbei sollte die Hypothese überprüft werden, ob eine verstärkte Adhäsion von Gingiva-Zellen auf den organo-chemisch modifizierten Oberflächen erzielt werden kann und inwieweit die Beschichtungen die bakterielle Anhaftung beeinflusst. In der ersten Förderphase wurde bereits gezeigt, dass die funktionalisierte Oberfläche eine signifikant erhöhte Adhäsion, Proliferation und Integrin-Expression in humanen gingivalen Fibroblasten bewirkt. In der zweiten Förderphase wurde weitergehend ergründet, wie sich die oralen Keratinozyten auf der funktionalisierten Oberfläche verhalten. Um die Adhäsion der gingivalen Keratinozyten auf den nicht nativen und den funktionalisierten Oberflächen untersuchen zu können, wurden fokale Adhäsionsmarker mittels Immunfärbung visualisiert. Weiterhin wurde ein Zentrifugationstest durchgeführt. Dazu wurden Zentrifugalkräften von bis zu 50 g auf die Gingiva-Zellen, die sowohl auf nativen als auch auf EZM-Protein modifizierten Proben kultiviert wurden, ausgeübt. Die auf der Oberfläche verbliebenen Zellen wurden anschließend mit Kristallviolettlösung angefärbt und ausgezählt. Darüber hinaus wurde ein Scratch-Assay durchgeführt, um die Migrationsaktivität der Gingiva-Zellen auf den verschiedenen Oberflächenkonditionen erfassen zu können. Anschließend wurden die anti-adhäsiven Eigenschaften der modifizierten Oberflächen gegenüber S. mutans untersucht. Die Kultivierungsergebnisse unter Verwendung von oralen Keratinozyten offenbarten, dass durch die Fibronektin- und Laminin-modifizierten-Oberflächen eine signifikant höhere Adhäsion, Proliferation und Protein Expression erzielt werden kann. Des Weiteren wiesen Keratinozyten eine verstärkte Migrationsaktivität auf und sie bedeckten die freie Fläche innerhalb von zwölf Stunden. Auf nativen Oberflächen hingegen war zu jedem Analysezeitpunkt der zellfreie Bereich deutlich zu visualisieren. Außerdem wurden auch auf BS3-quervernetzten-Fibronektin-Oberflächen eine reduziertere Bakterienansammlung im Vergleich zu nativen Oberflächen beobachtet. Die biofunktionalisierten Oberflächen Ti6Al4V-AS-LN und Y-TZP-AS-LN zeigten eine deutliche Reduktion der Biofilmbildung im Vergleich zu nicht-modifizierten Oberflächen. Sowohl die Kristallviolett- als auch die BactoBox- Analysen zeigten ein verzögertes Biofilmwachstum mit geringerem Biofilm-Bedeckungsgrad und weniger intakten Zellen nach drei Tagen. Darüber hinaus zeigte die Fluoreszenzanalyse eine höhere Zellsterblichkeit in der Frühphase auf diesen modifizierten Oberflächen, und SEM-Bilder offenbarten eine minimale EPS-Akkumulation. Die 16S-rRNA-Analyse bestätigte zudem eine geringere Präsenz biofilmassoziierter Bakterien, wie Aggregatibacter, was darauf hinweist, dass Ti6Al4V-AS-LN und Y-TZP-AS-LN die Biofilmentwicklung effektiv hemmen.
Publications
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Biofunctionalization of Dental Abutment Surfaces by Crosslinked ECM Proteins Strongly Enhances Adhesion and Proliferation of Gingival Fibroblasts. Advanced Healthcare Materials, 10(10).
Palkowitz, Alena L.; Tuna, Taskin; Bishti, Shaza; Böke, Frederik; Steinke, Nathalie; Müller‐Newen, Gerhard; Wolfart, Stefan & Fischer, Horst
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A Fibrin‐Based Human Multicellular Gingival 3D Model Provides Biomimicry and Enables Long‐Term In Vitro Studies. Macromolecular Bioscience, 24(2).
Sahle, Maike; Wachendörfer, Mattis; Palkowitz, Alena L.; Nasehi, Ramin; Aveic, Sanja & Fischer, Horst
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Transglutaminase enables highly hydrolytically and proteolytically stable crosslinking of collagen on titanium surfaces and promotes osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 112(6), 812-824.
Palkowitz, Alena L.; Rüger, Sascha; Ziegler, Maximilian; Buhl, Eva Miriam & Fischer, Horst
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Functionalization of a zirconia surface by covalently immobilized fibronectin and its effects on resistance to thermal, acid, and mechanical exposure. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 112(2).
Palkowitz, Alena L.; Tuna, Taskin; Kaufmann, Robert; Buhl, Eva Miriam; Wolfart, Stefan & Fischer, Horst
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In vitro plaque formation model to unravel biofilm formation dynamics on implant abutment surfaces. Journal of Oral Microbiology, 16(1).
Utomo, Romualdus Nugraha Catur; Palkowitz, Alena Lisa; Gan, Lin; Rudzinski, Anna; Franzen, Julia; Ballerstedt, Hendrik; Zimmermann, Martin; Blank, Lars Mathias; Fischer, Horst; Wolfart, Stefan & Tuna, Taskin
