Osteogenes und angiogenes Potenzial von bor- und molybdänversetzten mesoporösen bioaktiven Glasnanopartikel

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini; Dr. Frederike Hohenbild, seit 11/2024
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493867610

Die Behandlung von Knochendefekten gehört zu den führenden Herausforderungen in der Orthopädie. In der Vergangenheit wurden im Knochen Tissue Engineering (KTE) Ansätze entwickelt, die Knochenregeneration unter anderem durch den Einsatz synthetischer Biomaterialien zu unterstützen. Unter einer Vielzahl synthetischer Biomaterialien zeichnen sich bioaktive Gläser (BGs) durch ihre besonderen Eigenschaften aus: BGs binden, vermittelt durch die Bildung von Hydroxylapatit auf ihrer Oberfläche, an das umliegende Gewebe und geben ferner Ionen an das umgebende Gewebe ab, die Knochenvorläuferzellen zur osteogenen Differenzierung stimulieren. BGs wurden erstmals von Hench et al. in den späten 1960er-Jahren mit der Entwicklung des 45S5-BG (Zusammensetzung in mol%: 46,1 SiO2, 24,5 CaO, 24,5 Na2O, 6,0 P2O5) vorgestellt. Seither nahm die Zahl der BGs stark zu. Durch die Weiterentwicklung der BG-Herstellungsprozesse können verschiedene weitere Ionen mit spezifischen therapeutischen Eigenschaften den BGs zugesetzt werden. Der Erfolg von Biomaterialien, die für den Einsatz im KTE vorgesehen sind, hängt hauptsächlich von zwei Eigenschaften ab: (i) Biomaterialien müssen die umgebenden Zellen zur osteogenen Differenzierung stimulieren; sie müssen also osteoinduktiv sein. (ii) Biomaterialien müssen die Vaskularisierung unterstützen; sie müssen also angiogen sein. Darüber hinaus sind beide Eigenschaften in der in-vivo-Situation direkt voneinander abhängig: fehlender Vaskularisierung bremst die Knochenregeneration. Die osteogenen und angiogenen Eigenschaften von BGs können durch die Zugabe von spezifischen Ionen modifiziert werden. Unsere Gruppe entwickelte mesoporöse bioaktive Glasnanopartikel (MBGNs) basierend auf dem SiO2-CaO-System, die als Vektoren zur lokalen Applikation von Ionen mit osteogenen und/oder angiogenen Eigenschaften dienen können. In Vorbereitung dieses Projektes haben wir Molybdän (Mo) und Bor (B) als mögliche Kandidaten identifiziert: Während Mo als Bestandteil von MBGNs sich in Vorversuchen als osteogen erwiesen hat, wurde B in einer früheren Studie unserer Gruppen als Ion mit angiogenem Potenzial identifiziert. Daher werden in diesem Projekt sowohl MBGNs, die entweder mit Mo oder B versetzt sind, als auch MBGNs, die mit Mo und B versetzt sind, hinsichtlich ihrer angiogenen und osteogenen Eigenschaften in-vitro untersucht. Schließlich werden auf den MBGNs-versetze Scaffolds einer in-vivo-Untersuchung im Chorioallantoic Membrane-Assay und einem Femurdefektmodell in Ratten zugeführt, um ihre angiogenen und osteogenen in-vivo-Eigenschaften zu analysieren. Im Rahmen dieses Projekts werden nicht nur erstmalig MBGNs-basierte Scaffolds untersucht, sondern auch der Einfluss einer gleichzeitigen Versetzung der MBGNs mit Mo und B analysiert. Es wird erwartet, dass die die Anwesenheit beider Ionen in den MBGNs die Knochendefektkonsolidierung stärker verbessert als die Anwesenheit nur eines der beiden Ionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Tobias Renkawitz
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Fabian Westhauser, bis 11/2024