Zukunftsfähige medizinische Implantate

Biologische Funktionalisierung von Metalloberflächen für
Implantate
Autor: H. Worch 1
Einrichtung:
1
Institut für Werkstoffwissenschaft, Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien - TU Dresden,
01062 Dresden
Abstract
Im Zentrum des Beitrages stehen Funktionalisierungen von Implantatoberflächen mit
Komponenten der extrazellulären Matrix: Kollagen, Proteoglykanen/Glykosaminoglykanen und
Calciumphosphatphasen. Implantatmaterial sind Titan und im begrenzten Umfang Magnesium.
Das Matrixprotein des Knochens - Kollagen I - lässt sich im Zuge der Fibrillogenese relativ
problemlos auf Metalloberflächen abscheiden. Solche Beschichtungen begünstigen die
Zelladhäsion. Sie verläuft schneller, weitere Zellreaktionen sind hingegegen unspezifisch. Auf die
Adhäsion von Zellen kann jedoch in Gegenwart weiterer Kollagene nachhaltig Einfluss
genommen werden. Von den 27 bisher bekannten Kollagenen lassen sich einige mit Kollagen I
im Zuge der Fibrillogenese mischen. Am Beispiel von Kollagen I und III wird gezeigt, dass es
Systeme mit unbegrenzter Mischbarkeit gibt und damit das Adhäsionsverhalten von Osteoblasten
in vorbedachter Weise gesteuert werden kann.
Die Fibrillogenese wird in vivo ganz wesentlich durch Proteoglykane und Glykosaminoglykane
gesteuert. Am Beispiel von Kollagen I lässt sich zeigen, dass sich in Abhängigkeit von der Art und
Konzentration dieser Moleküle die Morphologie und Größe von Kollagen I - Fibrillen verändert,
ohne dass sie im Detail verstanden wird. An den Proteoglykanen werden zugleich
Wachstumsfaktoren gebunden, die das Zellverhalten ganz wesentlich beeinflussen. Im Rahmen
des Transregio 67 wird an artifiziellen extrazellulären Matrizes untersucht, wie die Bindung und
Freisetzung erfolgt und welche Konsequenzen dies auf das Zellverhalten hat. Zum besseren
Verständnis werden in diese Betrachtungen Derivatisierungen an den „Zuckermolekülen“
einbezogen. Erste Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Sulfatierungsgrad von
Hyaluronsäure die Fibrillogenese verändert wird, die Konzentrationen von Wachstumsfaktoren
ansteigen und Zellreaktionen modifiziert werden.
Die im Zuge der Knochenheilung schon über mehrere Jahrzehnte geübte Praxis, metallische
Implantatoberflächen mit Hydroxylapatit (HAP) zu beschichten, erweist sich bei genaueren
zellbiologischen Untersuchungen als problematisch. Sowohl auf elektrochemischen Weg auf
metallischen sowie kollagenbeschichteten Oberflächen abgeschiedene Apatite binden in
simulierten Körperflüssigkeiten Calcium- und Phosphationen und entziehen diese Ionen
adhärenten Zellen. Diese Eigenschaft führt in stationären Zellkulturmedien zum Absterben von
Knochenzellen.
Die Abscheidungsbedingungen von HAP sind abhängig von der Art des Metalles und seiner
Oberflächenbeschaffenheit. Auf Magnesiumoberflächen, dessen Degradationsprodukte
basischen Charakter haben, wird daher Hydroxylapatit in neutralen SBF- Lösungen gebildet.
Dadurch wird einerseits die Degradationsgeschwindigkeit des Magnesiums herabgesetzt,
andererseits werden Bedingungen geschaffen, die in vitro zur Apoptose von differenzierten
Stammzellen führen können.
Im lebenden Organismus wird die Mineralisation in der Mehrzahl der Fälle durch extrazelluläre
Matrizes gesteuert. In einem untersuchten Fall wird demonstriert, dass die Bildung und
Löslichkeit von HAP- Kristalliten nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung sondern auch
von der Kristallitgröße abhängig ist. Bleibt die Kristallitgröße unterhalb des kritischen Keimradius,
dann ist Kristallwachstum aus thermodynamischen Gründen ausgeschlossen. Es formieren sich
aus Templat und Mineral Materialverbünde/ Bionen, die als Elementarzellen für größere Struktureinheiten
aufgefasst werden können. Die Bionen bilden Strukturen, deren Eigenschaften sich
deutlich von herkömmlichen unterscheiden. Sie könnten die Basis für zukünftige Biomaterialentwicklungen
werden.
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Worch