Kurzfassung

Ausgeprägte Adhäsionen von Bindegewebe an Titanimplantaten sind ein klinisch relevantes Problem bei der Versorgung von Knochenbrüchen mit temporär oder permanent im Körper verbleibenden Implantaten. Die Bindegewebsreaktion kann von Sehnentzündungen über Bewegungseinschränkung der Sehnen bis hin zu Sehnenrupturen führen. Diese im Vergleich zu anderen Implantatwerkstoffen wie z.B. Stahl überschießende Gewebsreaktion scheint mit der Topographie und der chemischen Zusammensetzung der...Ausgeprägte Adhäsionen von Bindegewebe an Titanimplantaten sind ein klinisch relevantes Problem bei der Versorgung von Knochenbrüchen mit temporär oder permanent im Körper verbleibenden Implantaten. Die Bindegewebsreaktion kann von Sehnentzündungen über Bewegungseinschränkung der Sehnen bis hin zu Sehnenrupturen führen. Diese im Vergleich zu anderen Implantatwerkstoffen wie z.B. Stahl überschießende Gewebsreaktion scheint mit der Topographie und der chemischen Zusammensetzung der oberflächlichen Titanoxidschicht zu korrelieren. Andererseits scheint Titan aufgrund seiner bioinerten und mechanischen Eigenschaften traditionellen Werkstoffen weit überlegen. Die Materialforschung bietet speziell durch Oberflächen-Modifikationen innovative Titanwerkstoffe. Optimierte Titanoberflächen mit geringerer Neigung zur Zelladhäsion und damit einer geringeren Gewebetraumatisierung sind demnach eine aussichtsreiche Perspektive bei der Weiterentwicklung chirurgischer Implantate. Das hier beantragte Projekt befasst sich mit der Oberflächenmodifikation von Standard- Titanimplantaten aus der Unfallchirurgie mit dem Ziel Oberflächenbeschichtungen mit Adhäsions-reduzierten Eigenschaften zu entwickeln und auf ihre Eignung als Implantatmaterialien zu prüfen. Von besonderem Interesse sind ultra dünne, anti-adhäsive Polymerschichten die z.B. durch Plasma-Verfahren werden. Grundlegende Arbeiten mit Hexamethyldisiloxan (HMDSO) Prekursor zur Herstellung entsprechender Schichten sind in der Literatur seit den 1960iger Jahren bekannt und sind ein Grundstein für Entwicklungen in der Elektronik, Mikroelektronik und der Optik. Somit ist die Plasmapolymerisierung von HMDSO (unter Sauerstoff) für diese und andere Bereiche ein bereits etabliertes industrielles Verfahren. Eine starke Anbindung an Titanoberflächen dieser durch Variation der Verfahrensparameter modellierbaren Schichten erlaubt die gewünschten Eigenschaften gezielt „einzustellen“. In den Bereichen Medizintechnik und biokompatible Materialien sind Plasma-polymerisierte HMDSO Schichten bekannt, jedoch sind die publizierten Berichte zum Teil widersprüchlich bzw. lückenhaft. Der Arbeitsplan beinhaltet 3 wesentliche Abschnitte und Meilensteine: • Nach Herstellung Oberflächen-modifizierte Modell-Titanimplantate (MPI) werden diese zum sowohl am MPI als auch am Institut für Angewandte Struktur- und Mikroanalytik (ASMA) der Universitätsmedizin mit den dort vorhandenen hochentwickelten Methoden charakterisiert. Dazu gehören insbesondere die Kontaktwinkelmessung, die Oberflächenprofilometrie, die Rasterelektronenmikroskopie und die Röntgen-induzierte Photoelektronenspektroskopie. Zusätzlich soll die Stabilität der Schichten im klinischen Alltag durch das Durchlaufen von Standard-Sterilisationsverfahren der Unfallchirurgie und nachfolgender erneuter Oberflächencharakterisierung überprüft werden. • Nach Abschluss der Charakterisierung der Schichten folgen Zellversuche mit humanen Fibroblasten, welche die im klinischen Kontext wesentlichen Zellen darstellen und dadurch ein relevantes Testmodell repräsentieren. Die Erarbeitung von Grundlagen-Kenntnissen durch zellbiologische Untersuchungen der frühen Zell-Biomaterial-Interaktion wird im wissenschaftlichen Labor des Zentrums für Unfallchirurgie und Orthopädie durchgeführt. Diese Untersuchungen beinhalten die Quantifizierung der initialen Adhäsion und Proliferation der Zellen, die Analyse der Expression spezifischer Gene für das Anwachsen, Proliferieren und die Gewebebildung sowie zytotoxische Untersuchungen. Die Visualisierung der Zellen erfolgt beim Institut für Angewandte Struktur- und Mikroanalytik mittels konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie an transduzierten Fibroblasten. Eine zusammenfassende Beurteilung der in vitro Untersuchungen dient der Identifizierung möglicher Kandidatenoberflächen • Zum Abschluss des experimentellen Teils des Projekts sollen im Tiermodell die Bindegewebsadhäsion im Gewebeverbund sowohl an modifizierten Titanimplantaten als auch unmodifizierten Standardimplantaten als Kontrolle analysiert werden. Dieses Projekt wird in einer exzeptionellen Kooperation von Wissenschaftlern des Zentrums für Unfallchirurgie und Orthopädie der Universitätsmedizin Mainz (Chirurgen, Naturwissenschaftler), der Angewandte Struktur- und Mikroanalytik (Naturwissenschaftler) des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (Chemiker, Physiker) beantragt. Es basiert auf zwei kürzlich beendeten Diplomarbeiten im Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität, die im Rahmen einer erprobten Zusammenarbeit der Gruppen durchgeführt wurden. Durch den interdisziplinären Ansatz verfügt das Konsortium sowohl über die notwendige Expertise als auch über eine außergewöhnliche Laborausstattung, wie sonst kaum an einem Standort anzutreffen ist. Zudem verfügt die Arbeitsgruppe am MPI über langjährige Erfahrung im Bereich von Plasmaoberflächen und kann diese mit über 50 Veröffentlichungen und Buchbeiträgen belegen. Sie ist international in unterschiedlichen Projekten auf diesem Thema aktiv. Das Institut für Angewandte Struktur und Mikroanalytik besitzt eine breite, hochtechnologische, oberflächenanalytische Ausstattung sowie Expertise zur detaillierten Analyse der Oberflächen und Zell-Oberflächen Wechselwirkungen. Die Unfallchirurgie bringt das Wissen und die Relevanz der Problematik für den Klinikalltag in das Projekt ein und verfügt über eine hochwertige biologisch-medizinische Ausstattung mit S2 Sicherheitsstandard für die Durchführung der geplanten biologischen Arbeiten (zu den Vorarbeiten der klinischen Partner siehe Forschungsdatenbank der Universitätsmedizin). » weiterlesen» einklappen