Beiträge der Kolloid- und Grenzflächenchemie für die Regenerative Medizin
Als Biomaterialien werden Werkstoffe synthetischen oder natürlichen Ursprungs bezeichnet, die in der Medizin zum vorübergehenden oder dauerhaften Ersatz von geschädigtem Gewebe eingesetzt werden. Im Mittelpunkt unserer Forschungsarbeiten verfolgen wir das Ziel, die Vorgänge in den Grenzflächen zwischen Biomaterialien und biologischen Systemen zu verstehen und durch gezielte Maßnahmen zu beeinflussen. Dadurch könnte die Verträglichkeit von bestehenden Materialien durch Oberflächenbeschichtungen verbessert oder neue Biomaterialien, z.B. aus kolloidalen Systemen, für einen Einsatz in der regenerativen Medizin entwickelt werden.
Einfluss der Oberflächeneigenschaften von Biomaterialen auf biologische Adsorptions- und Adhäsionsprozesse
Die proteinvermittelte Adhäsion von Bakterien und Zellen auf den Oberflächen von Biomaterialien wird als eine Ursache für den klinischen Erfolg dieser Werkstoffe angesehen. Die Oberflächeneigenschaften der Materialien wirken sich dabei selektiv auf die Adsorption von Biomolekülen, insbesondere von Proteinen aus. In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir Silizium- und Titanwerkstoffe als Modelle zur gezielten Einstellung von Oberflächenparametern, wie z.B. Hydrophilie/Hydrophobie und Ladung, und untersuchen die Auswirkungen auf die Proteinadsorption. Ein Ziel dieser Untersuchungen ist die Entwicklung von antiadhäsiven Oberflächen durch spezifische chemische Gruppen und Strukturen, die der Proteinadsorption entgegenwirken. In Zusammenarbeit mit Mitarbeitern des Departments of Oral Biology, State University of New York at Buffalo und der Division Zellbiologie am Zentrum für Medizinische Forschung an der Universität Rostock untersuchen wir zudem die Auswirkung der Oberflächenmodifikationen auf die Adhäsion von Bakterien und Gewebezellen.
Anisotrope Kapillar-Hydrogele als Leitstruktur für die Axonregeneration
Vor allem im zentralen Nervensystem gelingt es nachwachsenden Axonen durchtrennter Nerven selten, ihre Zielzellen zu erreichen und somit die Funktion wieder vollständig herzustellen. Ziel unserer Arbeit ist es, ein mit parallelen Mikroröhren durchzogenes Hydrogel als Leitschiene für die Reparatur geschädigter Nerven einzusetzen. Diese Kapillarengele werden durch kolloidchemische Vorgänge aus Alginat, einem polymeren Zucker der Braunalgen, hergestellt, wobei der Durchmesser der Mikroröhren zwischen 20 und 200 µm eingestellt werden kann. Zusätzlich modifizieren wir die Oberfläche der Gelstruktur mit biologischen Molekülen, um das Axonwachstum weiter zu fördern. Außerdem können wir mit Hilfe unterschiedlicher Methoden der chemischen Quervernetzung die mechanischen Eigenschaften der Hydrogele variieren. Wir konnten zeigen, dass ein Kapillarendurchmesser von ca. 50 µm und ein Elastizitätsmodul von ca. 3 kPa die besten Erfolge in der Regeneration von Axonen in einem in vivo-Modell einer Hemisektion im Rückenmark von Ratten brachte.
Bioaktivierung metallischer Implantatmaterialien durch kovalente Immobilisierung von Kollagen
In Kooperation mit der Abteilung für Unfallchirurgie der Universität Regensburg, der Abteilung für Funktionale Materialien in der Medizin und Zahnmedizin der Universität Würzburg und der Abteilung für Materialwissenschaften der Technischen Universität Dresden haben wir Oberflächenmodifikationen für metallische Implantatmaterialien entwickelt, um die Wechselwirkungen mit Zellen des Knochengewebes zu verbessern. Dazu wurde Kollagen, ein wichtiges Strukturprotein der extrazellulären Matrix, kovalent über einen chemischen Haftvermittler an die wichtigsten metallischen Implantatmaterialien gebunden und chemisch quervernetzt. Auf diese Weise konnte die Adhäsion und Proliferation von Osteoblasten und
