Beiträge der Kolloid- und Grenzflächenchemie zur Biomaterialwissenschaft und regenerativen Medizin
Die Biomaterialwissenschaft zielt darauf ab, künstliche Materialien und lebendes Gewebe zu entwickeln, die die physische und biologische Funktion geschädigter oder erkrankter Gewebe im menschlichen Körper ersetzen können. Ein umfassendes Verständnis der Materialwissenschaft und der Humanbiologie ist eine Voraussetzung für die Entwicklung von Materialien, die nicht nur bestimmte strukturelle und mechanische Eigenschaften aufweisen, sondern auch mit dem biologischen System, in das sie implantiert werden, kompatibel sind. Darüber hinaus ist auch ein Verständnis der Oberflächenchemie von Materialien sehr wichtig, da diese ein wesentlicher Faktor für die Biokompatibilität ist.
Das Ziel der materialbasierten regenerativen Medizin hat sich von der Verwendung von Materialien, die lediglich die physikalischen Eigenschaften des ersetzten Gewebes nachbilden und gleichzeitig eine minimale toxische Reaktion im Wirtsorganismus hervorrufen, hin zur Entwicklung bioaktiver und biologisch abbaubarer Materialien verschoben. Mitglieder der sogenannten „Biomaterialien der dritten Generation“ sollen vielmehr in der Lage sein, spezifische gewünschte Reaktionen des umgebenden Gewebes auf molekularer Ebene auszulösen.
Methoden der Kolloid- und Oberflächenchemie spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Biomaterialien, insbesondere durch die Verbesserung der Oberflächenfunktionalität von Materialien und die Herstellung biokompatibler dreidimensionaler Leitstrukturen. Fortschritte in der Oberflächenwissenschaft und der Molekularbiologie müssen kombiniert werden, um zu verstehen, wie Oberflächeneigenschaften die biologische Reaktion eines mit dieser Oberfläche interagierenden Gewebes steuern.
Einfluss von Biomaterialoberflächeneigenschaften auf biologische Prozesse
Wir untersuchen den Einfluss physikochemischer Oberflächenparameter von Biomaterialien auf die Adsorption von Proteinen sowie die Adhäsion eukaryotischer und bakterieller Zellen. Gemeinsam mit der Abteilung für Operative Zahnmedizin und Parodontologie (UR) haben wir neue chemilumineszenz- und fluoreszenzbasierte Assays zur Quantifizierung von Proteinen und Bakterien entwickelt, die an Oberflächen mit geringer spezifischer Oberfläche gebunden sind.
In unserer Arbeitsgruppe wurden siliziumbasierte Modelloberflächen mit unterschiedlichen Graden an Benetzbarkeit, Oberflächenladung und Topographie hergestellt, um den Einfluss dieser Parameter auf biologische Systeme zu untersuchen, die mit diesen Oberflächen interagieren.
Mit unserem Modellsystem konnten wir bestimmte oberflächenchemische Gruppen identifizieren, an denen sich die Adhäsion eukaryotischer Zellen deutlich von der Bindung bakterieller Zellen unterscheidet. Durch Oberflächenmodifikation mit kurzkettigen Poly(ethylenglykol)-Einheiten war die Adhäsion ankerabhängiger Osteoblasten und Fibroblasten möglich, während die Anheftung pathogener Bakterien deutlich gehemmt wurde.
Im Gegensatz dazu förderten mit Fluorkohlenstoffgruppen modifizierte Oberflächen die Anlagerung von Bakterien, hemmten jedoch die Adhäsion eukaryotischer Zellen. Darüber hinaus stellten wir Oberflächen her, die klar antibakterielle Eigenschaften aufwiesen. Die Oberflächenmodifikation mit kationischen, Pyridinium-Gruppen enthaltenden Molekülen ermöglichte zwar die Bindung oraler Bakterienstämme, führte jedoch gleichzeitig zu einem nahezu vollständigen Absterben dieser Bakterien bei Kontakt.
Wir konnten zeigen, dass weniger die Oberflächenchemie und Topographie als vielmehr die Adsorption von Proteinen an eine Substratoberfläche den stärksten Einfluss auf die Reaktion des kontaktierenden biologischen Systems hat. Die Voradsorption zelladhäsiver Proteine erhöhte in den meisten Fällen die Adhäsion eukaryotischer Zellen und die nachfolgenden zellulären Reaktionen, begünstigte jedoch auch unerwünschte bakterielle Prozesse. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass mit Speichelproteinen vorkonditionierte Oberflächen die Anlagerung oraler Bakterien erhöhen und – mit besonders deutlichen Konsequenzen – die bakterizide Wirksamkeit kationischer Oberflächenmodifikationen aufheben.
Basierend auf diesen Ergebnissen konzentrierte sich die weiterführende Forschung in unserer Arbeitsgruppe sowohl auf die Entwicklung antibakterieller Oberflächenbeschichtungen, die zusätzlich der Proteinadsorption widerstehen, als auch auf die Oberflächenmodifikation von Implantatmaterialien zur gezielten Erhöhung der Adhäsion eukaryotischer Zellen. Diese neuartigen, auf Dendrimeren basierenden Beschichtungen werden derzeit in Kooperation mit der Department of Oral Biology der State University of New York at Buffalo sowie der Abteilung für Zellbiologie des Zentrums für Medizinische Forschung der Universität Rostock untersucht.
Literatur: S. Stählke et al. Materials Science & Engineering C, 2019, 101, 190-203, H. Schweikl et al. Dental Materials 2013, 29, 1080-1089, V. Katzur et al. Journal of Colloid and Interface Science 2012, 366, 179-190, M. Eichler et al. Biomaterials 2011, 32, 9168-9179, R. Müller et al. Biomaterials 2009, 30, 4921-4929, R. Müller et al. Journal of Biomedical Materials Research A 2008, 84, 817-827, H. Schweikl et al. Journal of Material Science Materials in Medicine 2007, 18, 1895-1905, R. Müller et al. Applied Environmental Microbiology 2007, 73, 2653-2660, R. Müller et al. Analytical Biochemistry 2006, 359, 194-202.
Kapillare Hydrogele zur Regeneration neuralen Gewebes
Wir verwenden schonende kolloidchemische Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gerüste mit einer hochgradig selektiven porösen Struktur. Obwohl das natürliche Polyelektrolyt Alginat in vielen biomedizinischen Disziplinen seit längerer Zeit eingesetzt wird, wurde die sehr spezifische Eigenschaft dieses kolloidalen Systems im Fachgebiet bislang kaum erkannt. Der deutsche Kolloidchemiker Heinrich Thiele entdeckte die Bildung hoch anisotroper kapillarer Hydrogele, in denen wassergefüllte Kapillaren runder Form parallel zueinander angeordnet sind und eine Kapillardichte von bis zu 1000 pro mm² aufweisen, durch einen einfachen ionengetriebenen Prozess.
Wir sind die ersten, die diese spezialisierte Struktur für biomedizinische Anwendungen nutzen, mit dem Ziel, eine Leitstruktur zur Unterstützung der Regeneration geschädigter Nerven zu entwickeln. Wir konnten zeigen, dass sich durch Variation der experimentellen Parameter die anisotropen Alginatgele gezielt hinsichtlich Kapillardurchmesser und Kapillardichte modifizieren lassen. Der Kapillardurchmesser kann im Bereich von 10 bis 200 µm eingestellt werden, und wir gehen davon aus, dass dieser Parameter einen erheblichen Einfluss auf die Fähigkeit der kapillären Hydrogele zur geführten Axonregeneration hat.
In Zusammenarbeit mit dem Rückenmarkverletzungszentrum des Universitätsklinikums Heidelberg untersuchen wir derzeit diese Gele hinsichtlich ihrer Fähigkeit, unterbrochene Nervenaxone im zentralen oder peripheren Nervensystem zu leiten.
Zusätzlich zu den einzigartigen physikalischen Eigenschaften des hochgeordneten Kapillarsystems werden derzeit weitere wichtige Eigenschaften hinsichtlich Biomechanik, Biokompatibilität und Bioaktivität untersucht. Auch hier wenden wir chemische Vernetzungsverfahren an, um den biochemischen Abbau des Kohlenhydratgerüsts zu verlangsamen.
Darüber hinaus integrieren wir Proteine der extrazellulären Matrix oder andere bioaktive Wirkstoffe, um die Zelladhäsion zu fördern und eine wachstumsunterstützende Umgebung bereitzustellen.
All diese Modifikationen sind notwendig, um unser Ziel zu erreichen, eine neue therapeutische Strategie zur Nervenregeneration nach peripheren Nervenverletzungen oder Rückenmarksschädigungen zu etablieren.
Literatur: T. Schackel et al. Tissue Engineering A, 2019, 25, 522-537, S. Liu et al. Acta Biomaterialia, 2017, 60, 167-180, M. I. Günther et al. Acta Biomaterialia 2015, 27, 140-150, K. Pawar et al. Acta Biomaterialia 2015, 27, 131-139, K. Pawar et al. Acta Biomaterialia 2011, 7, 2826-2834, R. Müller et al. in Handbook of hydrogels: Properties, preparation and applications. Nova Science Publishers, Hauppauge, NY, 397-426, 2009, P. Prang et al. Biomaterials 2006, 27, 3560-3569.
Bioaktivierung metallischer Implantatmaterialien durch kovalente Kollagenimmobilisierung
In Kooperation mit der Abteilung für Unfallchirurgie (UR), der Abteilung für Funktionale Materialien in Medizin und Zahnmedizin der Universität Würzburg sowie der Abteilung für Materialwissenschaft der Technischen Universität Dresden wurden Oberflächenmodifikationen metallischer Implantatmaterialien entwickelt, um die Bioaktivität dieser Materialien zu verbessern.
Auf Grundlage der Ergebnisse des vorangegangenen Projekts erschien für biomedizinische Anwendungen, bei denen eine starke Zelladhäsion und Gewebeintegration von Vorteil ist, wie etwa bei Prothesen im Kontakt mit Knochen, die Strategie, diese Materialien mit Schichten zelladhäsiver Moleküle vorzubeschichten, sehr vielversprechend.
Die Zielsetzung des Projekts bestand darin zu prüfen, ob die kovalente Immobilisierung solcher adhäsionsfördernden Moleküle gegenüber einer physikalischen Oberflächenadsorption Vorteile bietet, insbesondere hinsichtlich der Verringerung des Austauschs und des biologischen Abbaus dieser Proteine unter physiologischen Bedingungen.
Zu diesem Zweck entwickelten und optimierten wir Strategien zur kovalenten Bindung des extrazellulären Matrixproteins Kollagen an klinisch relevante metallische Materialien. Untersucht wurden Edelstahl sowie Titan- und Kobaltlegierungen, die zunächst von unseren Forschungspartnern durch Oberflächenabscheidung und elektrochemische Verfahren passiviert und anschließend durch eine kovalente Kollagenbeschichtung bioaktiviert wurden.
Wir stellten fest, dass die Immobilisierung von Kollagen am effektivsten unter Verwendung von Silan-Kupplungsreagenzien in Kombination mit einem milden Vernetzungsreagenz erfolgt, welches die immobilisierte Proteinschicht zusätzlich stabilisiert. Enzymatische Verdauung zeigte eindeutig eine höhere Stabilität der kovalent gebundenen Kollagenschichten im Vergleich zu physikalisch adsorbierten Kollagenschichten.
Darüber hinaus fanden wir heraus, dass eine hohe Dichte oberflächengebundener Kopplungsreagenzien die Stabilität des kovalent gebundenen Kollagens erhöht. Nach der Beschichtung metallischer Biomaterialien mit vernetztem Kollagen wurde eine verbesserte zelluläre Antwort in Form einer gesteigerten Adhäsion und Proliferation humaner osteoblastenähnlicher Zellen sowie humaner mesenchymaler Stammzellen beobachtet.
Während die Adhäsion eukaryotischer Zellen deutlich erhöht war, führte die Kollagenmodifikation von Titanoberflächen zu einer verminderten Anlagerung eines typischen pathogenen Bakteriums. Zusammenfassend war die in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Kollagenbeschichtung in der Lage, zwei günstige biologische Effekte positiv zu beeinflussen, was die erfolgreiche Bioaktivierung metallischer Implantatmaterialien bestätigte.
Literatur: R. Müller et al. in Metallic biomaterial interfaces. Wiley-VCH, Weinheim, 88-92, 2008, R. Müller et al. BIOmaterialien 2007, 8, 40-45, R. Müller et al. Biomaterials 2006, 27, 4059-4068, R. Müller et al. Biomaterials 2005, 26, 6962-6972.
Biomimetische Gerüste für die Knorpelgewebereparatur
In Zusammenarbeit mit der Abteilung für Unfallchirurgie (UR) und der Abteilung für Pharmazeutische Technologie (UR) untersuchten wir die Eignung von Gerüsten aus den natürlichen Bestandteilen des Knorpelgewebes, d. h. Hyaluronsäure und Kollagen, für das Gewebeengineering von Gelenkknorpel. Wir setzten eine Reihe physikochemischer Methoden ein, um den Einfluss von Materialherkunft, Zusammensetzung und chemischer Stabilisierung auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Materialien zu untersuchen, mit dem Ziel, diese mit ihren biologischen Eigenschaften zu korrelieren.
In unserer Arbeitsgruppe lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung von Vernetzungsverfahren, die die natürlichen polymeren Materialien stabilisieren, dabei jedoch ihre intrinsische Bioaktivität erhalten.
Wir konnten insbesondere ein Vernetzungsverfahren identifizieren und optimieren, das sehr gute Ergebnisse hinsichtlich biomechanischer Stabilität, enzymatischer Abbaubarkeit sowie Zellverträglichkeit im Hinblick auf verbesserte Adhäsion, Proliferation und Differenzierung von Chondrozyten und mesenchymalen Stammzellen lieferte.
Darüber hinaus war dieses Vernetzungssystem sogar in der Lage, native Knorpelblöcke miteinander zu verbinden, ohne die Zellvitalität zu beeinträchtigen, was ein vielversprechendes Werkzeug für die Anwendung von in vitro erzeugtem Knorpelgewebe darstellen könnte.
Die Einbringung einer Kollagenkomponente (Gelatine) in ein auf Hyaluronan basierendes dreidimensionales Gerüst führte deutlich zur Ausbildung bioaktiver Eigenschaften im Hinblick auf die Erzeugung eines stark knorpelinduzierenden Milieus, das durch die Förderung von Adhäsion und Differenzierung mesenchymaler Stammzellen gekennzeichnet ist.
Die Anwendung ausgewählter Vernetzungsverfahren verbesserte zusätzlich die Eignung der Kompositmatrix als biomimetisches Material für das Knorpelgewebeengineering.
Literatur: P. Angele et al. Journal of Biomedical Materials Research A 2009, 91, 416-427, C. Englert et al. Arthritis Research & Therapy 2007, 9, R47, P. Angele et al. Biomaterials 2004, 25, 2831-2841, P. Angele et al. BIOmaterialien 2003, 4, 11-18.
Monomolekulare Beschichtungen für technische Anwendungen
Selbstorganisierte Monoschichten langkettiger organischer Moleküle wurden entwickelt, um als korrosionshemmende oder haftvermittelnde Oberflächenbeschichtungen zu dienen.
In der Keramiktechnologie werden zunehmend feine und feinste Pulver mit Partikelgrößen deutlich unter 1 µm benötigt, da die Eigenschaften der Keramiken von der Mikrostruktur abhängen, die wiederum durch die Partikelgröße der Ausgangspulver beeinflusst wird. Aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses besitzen diese Partikel einen großen Überschuss an freier Oberflächenenergie.
Während nanoskalige oxidische Pulver in Gegenwart von Luft und Wasser ohne größere Probleme gehandhabt werden können, verändern sich die Eigenschaften nanoskaliger nichtoxidischer Pulver wie Nitride, Karbide oder Carbonitride in Luft und Wasser drastisch aufgrund von Sauerstoffaufnahme, ausgelöst durch Oxidation und Hydrolyse. Darüber hinaus kann bei nanoskaligen nichtoxidischen Pulvern eine spontane Entzündung beobachtet werden.
In unserem Projekt synthetisierten wir langkettige aliphatische Derivate von primären Aminen, Ethylendiaminen, Guanidinen, Nitrilen, Isocyanaten und Succinimiden und setzten diese als Beschichtungen für TiN-, TiC- und SiCN-Nanopulver ein.
Zur Erhöhung der Haftfestigkeit in polymervergossenen mikroelektronischen Bauelementen synthetisierten wir neue Kopplungsreagenzien, die als selbstorganisierende Monoschichten zwischen einem Kupfer-Leadframe und einer Epoxid-Vergussmasse abgeschieden werden sollten.
Die Kopplungsreagenzien wurden zunächst über spezielle Bindungsgruppen wie Thiol-, Disulfid-, Ethylendiamin- und Phthalocyanin-Einheiten an der Oberfläche von Kupferplatten chemisorbiert. Die Bindung an das Epoxidharz erfolgte über eine Hydroxylgruppe. Lineare Kohlenwasserstoff-Spacer mit unterschiedlichen Kettenlängen verbanden die kupfer- und epoxybindenden Gruppen.
Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie der selbstorganisierten Schichten der organischen Kopplungsreagenzien bestätigte deren Orientierung an der Metalloberfläche. Die thermogravimetrische Analyse wurde zur Untersuchung der Beschichtung hinsichtlich Korrosionsinhibition eingesetzt.
Scherfestigkeitsprüfungen zeigten eindeutig, dass die Kopplungsreagenzien die Haftfestigkeit erhöhen und selbst unter extremen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen stabil bleiben. Dadurch konnte die Delamination mikroelektronischer Bauelemente („Popcorn-Effekt“) verhindert werden.
Literatur: G. Boden et al. Keramische Zeitschrift 2005, 57(4), 220-223 and 2005, 57(5), 304-307, R. Müller et al. Langmuir 2004, 20, 2598-2606, R. Müller et al. Journal of Adhesion 2000, 72, 65-83.