Auf dem Weg zu einem Design und einer individuellen Anpassung von boratbasierten bioaktiven Gläsern – von grundlegenden Zusammenhängen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften bis hin zu fortschrittlichen 3D-Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563666334

Borate bioaktive Gläser (BBGs) sind eine vielversprechende Gruppe keramischer Biomaterialien mit vielfältigen biomedizinischen Anwendungen. Ihre einzigartigen Eigenschaften übertreffen teilweise die der silikatischen bioaktiven Gläser (SBGs), darunter eine schnelle, aber kontrollierbare Degradation, die schnelle Umwandlung in biologisch relevante Mineralphasen wie karbonatisiertes Hydroxylapatit (HCA), hervorragende Knochenbindung, ein hohes regeneratives Potenzial und antibakterielle Aktivität. Dennoch bleibt die klinische Nutzung von BBGs aufgrund unzureichender Kenntnisse über ihre Eigenschaften und Funktionen begrenzt. Dieses Projekt zielt darauf ab, BBG-basierte Biomaterialien zu entwerfen und anzupassen, indem Korrelationen zwischen Zusammensetzung und Eigenschaften untersucht sowie fortschrittliche 3D-Morphologien für die Knochenregeneration mittels Sol-Gel-Verfahren, Elektrospinning und 3D-Druck entwickelt werden. Zu den wichtigsten Forschungsbereichen gehört die Untersuchung, wie die chemische Zusammensetzung (z. B. MO/B2O3-Verhältnisse, netzwerkbildende Oxide wie P2O5 und therapeutische Ionen wie Mg, Sr, Zn und Cu) strukturelle Eigenschaften wie BO3/BO4-Einheiten, Netzwerkkonnektivität und Poreneigenschaften beeinflusst. Das Projekt untersucht die Auflösungsmerkmale, einschließlich Ionenfreisetzung und Umwandlungskinetik in Mineralphasen, und deren Einfluss auf osteogene, osteoimmunmodulatorische und angiogene Reaktionen. Zudem werden molekulare Mechanismen erforscht, die diesen biologischen Effekten zugrunde liegen. Die Wirksamkeit faseriger und poröser BBG-Morphologien, hergestellt durch Sol-Gel-Verfahren, Elektrospinning und 3D-Druck, wird mit konventionellen Partikelformen verglichen, um deren Auflösungsraten, Transformation und Zellinteraktionen zu bewerten. Die Forschungsaktivitäten umfassen die Synthese von BBGs mittels eines modifizierten Sol-Gel-Verfahrens, die Charakterisierung struktureller, morpho-texturaler und thermischer Eigenschaften sowie die Untersuchung der Ionenfreisetzung und Mineralisierung in simulierten Körperflüssigkeiten. In-vitro-Studien mit humanen Knochenmark-Stromazellen, Makrophagen und Endothelzellen werden biologische Reaktionen evaluieren. Fortschrittliche BBG-Strukturen wie elektrogesponnene Fasern und 3D-gedruckte Formen werden auf ihre Eigenschaften und Zellreaktionen hin untersucht. Mithilfe eines interdisziplinären Ansatzes, der Materialwissenschaft und Molekularbiologie vereint, zielt das Projekt darauf ab, die Regulierung immuno-osteo-angiogener Signalwege durch BBGs zu entschlüsseln, um die Knochenregeneration zu fördern. Die Ergebnisse werden die Gestaltung maßgeschneiderter BBG-Zusammensetzungen und -Morphologien für spezifische Anwendungen unterstützen. Fortschritte in Elektrospinning- und 3D-Druck-Techniken ermöglichen die Entwicklung vollständig keramischer BBG-Biomaterialien und ebnen den Weg für personalisierte medizinische Lösungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Katarzyna Cholewa-Kowalska; Michal Dziadek, Ph.D.; Professorin Anna Osyczka