Ionenangereichertes bioaktives Glas zur Stimulation der Knochenbildung in-vitro und in-vivo

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini; Dr. Fabian Westhauser
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427136211

Standard in der Knochendefekttherapie ist die Applikation von autologem Knochen, was mit nicht unerheblichen Komorbiditäten und Komplikationen einhergehen kann. Eine mögliche Alternative stellen synthetische Knochenersatzmaterialen wie bspw. Calciumphosphate (CaPs) oder bioaktive Gläser (BGs) dar. Während CaPs hauptsächlich osteokonduktive Eigenschaften besitzen, stimulieren BGs u.a. durch Freisetzung bioaktiver Ionen Zellpopulationen zur osteogenen Differenzierung. Zu den bestuntersuchten BGs zählen das 45S5-BG (45,0 wt% SiO2, 24,5 wt% CaO, 24,5 wt% Na2O, 6,0 wt% P2O5) sowie das 1393-BG (53,0 wt% SiO2, 20,0 wt% CaO, 6,0 wt% Na2O, 4,0 wt% P2O5, 12,0 wt% K2O, 5,0 wt% MgO). Beide BGs zeigen im Vergleich zum Knochengewebe reduzierte mechanische Eigenschaften, was einen Einsatz in den lasttragenden Teilen des Skeletts erschwert. Der hohe Natrium-Anteil im 45S5-BG verursacht einen dramatischen Anstieg des lokalen pHs, sodass das BG zumindest initial zelltoxische Wirkung entfaltet. Das 1393-BG zeigt geringere Zelltoxizität, jedoch ist dessen Bioaktivität und somit die Bindung zum umliegenden Gewebe schwächer ausgeprägt im Vergleich zum 45S5-BG. Durch eine Veränderung der BG-Komposition könnten die genannten Schwächen überwunden werden. In eigenen Vorstudien konnte gezeigt werden, dass durch Zugabe von Bor in die 1393-BG-Zusammensetzung (0106-B1-BG: 37,5 wt% SiO2, 22,6 wt% CaO, 5,9 wt% Na2O, 4,0 wt% P2O5, 12,0 wt% K2O, 5,5 wt% MgO, 12,5 wt% B2O3) nicht nur dessen angiogene Eigenschaften verbessert werden, sondern auch im Vergleich zu 45S5-BG eine signifikante Steigerung der osteogenen Differenzierung von Stammzellpopulationen erreicht wird. Möglicherweise können die vielversprechenden Eigenschaften des 0106-B1-BG durch Zusatz der bioaktiven Ionen Zink (Zn) und Kupfer (Cu), die nachweislich proliferationsfördernd, pro-osteogen und pro-angiogen wirken, weiter verbessert werden. Das beantragte Projekt verfolgt folgende Ziele: (1.) Evaluation der allgemeinen biologischen (Einfluss auf die Vitalität und Proliferation einer Zellpopulation), angiogenen und osteogenen Eigenschaften von 45S5-BG, 1393-BG und 0106-B1-BG in Vergleich zueinander in-vitro. (2.) Zugabe von Zn oder Cu in 0106-B1-BG in verschiedenen Konzentrationen, Charakterisierung der neuen BGs sowie Evaluation des Effekts auf die biologischen, angiogenen und osteogenen Eigenschaften in-vitro. (3.) Scaffolds aus Zn- und Cu-supplementiertem 0106-B1-BG in den Konzentrationen mit den besten in-vitro-Resultaten sollen in einem Knochendefektmodell in-vivo im Vergleich zu Scaffolds aus 0106-B1-BG, 1393-BG und 45S5-BG untersucht werden. Das Projekt bezweckt die Entwicklung neuer BG-Kompositionen basierend auf der Zugabe verschiedener bioaktiver Ionen mit dem Ziel, deren Eigenschaften für den Einsatz in Knochendefekten zu verbessern. Hierzu ist eine genaue Charakterisierung sowie eine Einordnung des Potenzials neuer Kompositionen in direktem Vergleich zu den etablierten 45S5- und 1393-BGs erforderlich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen