Amin-basierte Beschichtungen zur Verbesserung der Integration von Implantaten in das umliegende Gewebe: Verständnis der zugrunde liegenden biologischen Mechanismen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. J. Barbara Nebe; Dr. Matthias Schnabelrauch
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446225522

In den Industrieländern muss eine zunehmende Anzahl älterer Patienten behandelt werden, die aufgrund von Pathologien wie Osteoporose verstärkt Knochenschäden erleiden. Der Bedarf an bioaktiven Implantaten mit der Fähigkeit, sich in osteoporotischen Knochen schnell zu integrieren, steigt. Modifikationen der Oberflächenchemie und Topographie verbessern die Gewebeintegration. In einer gemeinsamen Arbeit haben wir die Dominanz der Chemie im Vergleich zur Topographie auf das Zellverhalten demonstriert. Die Aminofunktionalisierung mit Poly(Allylamin)-Plasmapolymeren von strukturiertem Titan konnte die Zelladhäsion intensivieren und die „contact guidance“ der Zellen entlang der Mikrogräben aufheben. Zur Erklärung dieses Effekts werden mehrere Hypothesen vorgeschlagen: a) die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen negativ geladener Zellmembran und positiv geladenen Aminogruppen; b) die erhöhte Adsorption von zelladhäsiven Proteinen aus dem Serum mit einer effizienteren Konformation zur Wechselwirkung mit Integrinrezeptoren; c) die Fähigkeit von Polyaminogruppen, die im Zellkulturmedium vorliegen und die Bildung von Zellausläufern fördern. Das ursprüngliche Ergebnis unserer beiden Gruppen mit Poly(allylamin)-Plasmapolymer-Beschichtungen muss eingehend analysiert werden, um die Rolle physikalisch-chemischer Oberflächeneigenschaften auf biologische Mechanismen zu ermitteln. Mit dem Ziel, die Rolle der Oberflächen- und/oder Volumendichte von Aminogruppen in dieser Zellreaktion zu bestimmen, wollen wir unter Verwendung der drei verschiedenen Techniken a) Plasmapolymerisation von Allylamin, (b) kovalentes Aufpfropfen von Polymer-basierten Aminogruppen-reichen Nanobeschichtungen mit unterschiedlichem Gehalt an Aminogruppen und (c) Erzeugung selbstorganisierender Monoschichten mit terminalen Aminogruppen kontrollierte Aminogruppen-reiche Nanoschichten entwickeln. Auf diesen umfassend charakterisierten aminreichen organischen Oberflächen werden wir eingehend untersuchen, welche Proteine aus dem Serum auf der Oberfläche adsorbiert werden, in welcher Menge und in welcher Proteinkonformation. Um das Adhäsionspotenzial und das Potenzial zur Aufhebung der „contact guidance“ dieser verschiedenen Oberflächen im Zusammenhang mit der Dichte und Organisation von Aminogruppen zu überprüfen, wird die Morphologie humaner Knochenzellen, die Signalweiterleitung und Genexpression in vitalen und fixierten Zellen auf beschichteten, mit Mikrogräben versehenen Substraten bewertet. Die Anordnung und Dynamik des Zytoskeletts und der fokalen Adhäsionen werden quantifiziert, und ein in silico-Zellmodell implementiert, um die Adhäsionskraft sowie die mechanischen Eigenschaften von Zellen zu bestimmen. Das Verständnis des Wirkmechanismus dieser Aminogruppen-reichen Nanoschichten soll grundlegende Erkenntnisse mit sich bringen, die für die Verbesserung bioaktiver Implantate bei defizienten, gealterten Knochen erforderlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Karine Anselme, Ph.D.; Professor Dr. Jean-Louis Milan