Teilprojekt D7 - Implantatoberflächen

Funktionelle Kopplung von Wachstumsfaktoren und antiinflammatorischen Proteinen an die Oberfläche von Implantaten

Projektbeschreibung:

Das übergeordnete Ziel ist die verbesserte, dauerhafte Verankerung von Endoprothesen. Dies wird durch die Entwicklung ultradünner, funktioneller Polymerbeschichtungen erreicht, die als Kontaktinterface zwischen Knochen und Implantat fungieren. Durch die Ausrüstung der Beschichtungen mit Wachstumsfaktoren (rhBMP-2, VEGF-A, Ang-1) und anti-inflamma­torischen Faktoren (IL-1RA, TNF-R) soll der dynamische Prozess des Knochenremodellings im Knochen-Implantatinterface unterstützt und letztendlich auch in problematischen Prothesewechselsituationen eine langfristige Stabilität erreicht werden.

Der endoprothetische Gelenkersatz bei fortgeschrittenen degenerativen Gelenkerkrankungen gilt als Meilenstein in der Medizinentwicklung. Trotzdem sind gerade bei jungen Patienten und in Wechselsituationen immer noch eine begrenzte Haltbarkeit und frühzeitige Lockerunge problematisch. Eine Verbesserung der Verankerung von Endoprothesen, insbesondere solcher, die keine langschäftigen Kontaktflächen haben, wird durch ein optimales Anwachsen von Knochen an der Prothese erreicht. Hier kann die Minimierung des Spaltes zwischen Knochen und Prothesenfläche als Entwicklungsziel für optimale Prothesen angesehen werden. In diesem Projekt wird hypothetisiert, dass eine solche Spaltminimierung durch funktionelle Kopplung von Wachstumsfaktoren und anti-inflam¬matorischen Proteinen an die Oberfläche von Implantaten gewährleistet sein kann. Im ersten Bearbeitungszeitraum 2003-2006 wurden Polymere entwickelt, die als Anker eine Anbindung solcher Wachstumsfaktoren (hier BMPs) ermöglichen und eine dauerhafte Präsentation der Faktoren an der Prothesenoberfläche für das umgebende Zellmilieu darstellen. Gleichzeitig erfolgte die kontrollierte Herstellung von rekombinantem BMP-2. Da bisher nur eine biologische Aktivität für ungebundene BMPs in einem Konzentrationsgradienten bekannt war, wurde von uns die biologische Aktivität auch von gebundenem Peptid in Zellkulturen und im Tierversuch belegt. Aus den Polymeren und rekombinant hergestelltem BMP-2 wurde eine Beschichtung geschaffen, die auf Titanimplantate aufgebracht wurde und hier in einer Nanometern-Dimension eine funktionelle Oberfläche darstellt. Diese wurde in einem Femurmodell am Kaninchen getestet und Integrationsvorgänge am Knochen-Implantat-Interface mittels Mikro-CT-Analysen quantifiziert. Dabei zeigten sich für bestimmte Polymer-BMP-Beschichtungen signifikant vermehrte Kontaktpunkte, die eine verbesserte Implantatintegration belegen. Gleichzeitig wurden die intrazellulären Signalwege nach Anbindung von BMP-2 an den Zellrezeptor insbesondere vor dem Hintergrund von inflammatorischen Zytokinen untersucht, da Abrieb und Fremdkörperrekationen bei Endoprothesen Entzündungsreaktionen verursachen. Hier konnte ein wesentlicher Störmechanismus der intrazellulären Signalvermittlung durch BMP-2 identifiziert werden (TAK-1). Durch Inhibition dieser inflammatorisch vermittelten Mediatoren kann die ungehinderte BMP-2 Funktion mit Stimulation und Differenzierung von Stammzellen zum Knochenaufbau möglicherweise auch in Situation mit entzündlicher Begleitreaktion funktionieren. Im zweiten Bearbeitungszeitraum von 2007-2010 wurde sich vermehrt auf die Herstellung von beschichteten und mit Wachstumsfaktoren wie BMP-2 biologisierten Implantaten für weitere in-vivo-Untersuchungen konzentriert. Ausgehend von den Ergebnissen des ersten Zeitraumes wurde die Optimierung der Oberflächenfunktionalisierung mit dem Ziel fortgeführt, den Effekt der Anbindung noch zu verstärken. Für die Charakterisierung von funktionalisierten Oberflächen (Polymerfilme) wurden u.a. XPS und Ellipsometrie als Techniken eingesetzt. Weiterhin wurden andere reaktive Gruppen getestet. Die Testung vorhandener und neuer Oberflächen wurde differenzierter betrachtet und jetzt in Belastungs-, Spalt- und Lockerungsmodellen näher an der Realität im medizinischen Einsatz geprüft.