Influence of nanoporous surface structuring and biofunctionalisation on the physiological acceptance of implant materials by bone cells

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Günter Ziegler
• Subject Area: Biomaterials
• Term: from 2000 to 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5258365

Ziel des Vorhabens ist es, ein Implantatmaterial zu entwickeln, das an der Grenzfläche "Implantat - Biosystem" zwei Arten von Oberflächenstrukturierungen (Poren im Bereich von 100 - 500 µm und Poren im Bereich von 100 nm) aufweist, wobei die Oberfläche durch immobilsierte Biomoleküle modifiziert wird. Dabei soll die Oberfläche der makroskopischen Poren durch eine keramische Schicht ausgekleidet werden, die offenporige nanometergroße Strukturen enthält (vergleichbar mit einer schwammartigen Struktur). Aufgrund der Größe ermöglichen die makroskopischen Poren ein Einwachsen der Zellen, wohingegen die nanoporöse Struktur den Zellstoffwechsel an der Grenzfläche Implantat/Zellverband begünstigen soll. Die immobilisierten Biomoleküle sollen direkt als Signalstoff auf die Rezeptoren der Knochenzellen wirken. Der Einfluß dieser nanoporösen Oberflächenstrukturierung auf die Immobilisierung von Biomolekülen und das Haftvermögen von Zellen soll untersucht werden. Zum Erreichen des Ziels werden poröse Titanmetalle, u. a. medizintechnisch bereits benutzte und ß-nahe Titanlegierungen mit einer dünnen, nanoporösen Keramikschicht (Schichtdicke 1µm) versehen. Diese besteht aus Titanoxid, dem gleichen Material wie die natürlich vorhandene Oxidschicht. Dabei wird auf eine modifizierte Sol-Gel-Sythese zurückgegriffen, die speziell zum Aufbau von Schichten mit Porendurchmessern von ca. 100 nm geeignet ist. Auf diese Schicht werden unter zu Hilfenahme von Spacern (z. B. heterobifunktionelle Reagenzien) einerseits Proteine der extrazellulären Matrix und andererseits Peptide, die das Zelladhäsionsmotiv Arginin-Glycin-Asparat (RGD) enthalten, immobilisiert. Durch gezielte Variation der nanoporösen Oberflächenstruktur und der Art der Immobilisierung werden unterschiedliche Materialien hergestellt, die im Hinblick auf ihre physikalischen und biochemischen Eigenschaften charakterisiert werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen mit zellbiologischen Ergebnissen korreliert werden.

• DFG Programme: Priority Programmes
• Subproject of: SPP 1100: Interface between Biomaterial and Biosystem