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Implantatbeschichtung Gel für Implantate fördert Knochenwachstum

| Redakteur: Kathrin Schäfer

Eine Forschergruppe der schwedischen Universität Uppsala hat eine neue reagierende Beschichtung für chirurgische Implantate entwickelt, die das Einwachsen in den Knochen verbessert und einer Abstoßung vorbeugt. Durch Neutronenstreuexperimente am Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble konnte nachgewiesen werden, wie ein Protein, welches Knochenwachstum fördert, sich auf dieser Oberfläche bindet und kontrolliert freigesetzt werden kann.

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Die mit Gel beschichtete Titanium-Oberfläche bindet Proteine. Diese unterstützen das Zusammenwachsen mit Knochen.
Die mit Gel beschichtete Titanium-Oberfläche bindet Proteine. Diese unterstützen das Zusammenwachsen mit Knochen.
(Bild: Universität Uppsala)

Orthopädische und dentale Implantate müssen viele Jahre halten. Der Erfolg dieser chirurgischen Komponenten hängt von ihrem Einwachsen in das angrenzende Knochengewebe ab. Aus modifiziertem Hyaluronan, einem biologischen Makromolekül, gewonnene Gele können zur Beschichtung von Implantaten eingesetzt werden. Wie ein neuer Artikel im Wissenschaftsmagazin Advanced Engineering Materials aufzeigt, können mit diesem Gel beschichtete Titanoberflächen Knochenwachstum fördernde Proteinmoleküle binden. Diese können langsam freigesetzt werden, wenn die Oberfläche mit einer Lösung von Calciumionen in Kontakt kommt. Dieser Prozess würde das Einwachsen des Implantats im Knochen fördern.

Was läuft an der Implantatoberfläche ab?

Die Eigenschaften der wenige Millionstel Millimeter dicken Gelschichten wurden am ILL mit Neutronenreflexion charakterisiert, einem Verfahren, das ein genaues Bild von dem vermittelt, was auf einer Oberfläche abläuft. In seinem Artikel zeigte das Forscherteam auf, dass das Knochenwachstum stimulierende BMP-2-Protein an das Gel gebunden war. Es erbrachte außerdem den Nachweis, dass die Proteinschicht im Wasser stabil war, aber dass sie durch Hinzufügen von Calcium-haltigen Lösungen langsam freigesetzt werden konnte. Dieser Prozess wurde in Echtzeit beobachtet, indem der Proteinanteil auf der Oberfläche durch Neutronenreflexion nachverfolgt wurde.

Die Forschergruppe startete jetzt Versuche mit ähnlichen Materialien für Metallimplantate an Kaninchen. Diese laufenden Studien werden zusammen mit der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala durchgeführt und sind ein erster Schritt hin zur Übertragung der Forschungsergebnisse auf klinische Anwendungen.

„Durch interdisziplinäre Forschung und Partnerschaften können mit hochentwickelten Analyseinstrumenten wichtige, aber schwierige medizinische und wissenschaftliche Herausforderungen angegangen werden. Diese spannende Arbeit entsteht aus den gemeinsamen Zielen von Chemikern und Physikern, aber auch des Zentrums für Neutronenstreuung an der Universität Uppsala und den Labors in Grenoble“, so Prof. Adrian Rennie.

Den Knochenheilungsprozess verbessern

„Wir planen den Einsatz dieser Materialien in der Medizin zur Verbesserung des Knochenheilungsprozesses“, so Dmitri Ossipov, Dozent. Er fährt fort: „Neutronen sind ein ideales Werkzeug, um die Wechselwirkungen zwischen Metalloberflächen, polysaccharidischen Biopolymeren und Proteinen mit Hilfe von Kontrastvariationstechnik zu verstehen, wobei nur die Proteinkomponenten auf der Oberfläche hervorgehoben werden.“

„Neutronenstreutechniken werden immer relevanter, um Biomaterialien zu optimieren und mit Gesundheit zusammenhängende Systeme zu untersuchen. Es wurde wieder einmal unter Beweis gestellt, wie wichtig es ist, herkömmliche Laboruntersuchungen mit denen einer Großforschungseinrichtung zu verbinden, um ein vollständiges Bild eines Prozesses zu erhalten. Diese Arbeiten entstanden aus einem durch das Institut Laue-Langevin finanzierten Stipendium, weshalb wir auf unser Doktorandenprogramm stolz sein können“, so Dr. Giovanna Fragneto vom Institut Laue-Langevin.

Originalpublikation in: I. Berts, D. Ossipov, G. Fragneto, A. Frisk, A.R. Rennie, „Polymeric smart coating strategy for titanium implants“, Advanced Engineering Materials (2014)

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