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Innovative Beschichtung für Implantate für verbessertes Einwachsen in den Knochen

Kurzfassung

Wissenschaftler der Universitäten Stuttgart und Konstanz entwickelten eine Technologie, die beispielsweise das Einwachsen eines Implantates in das umliegende Gewebe und die Langzeitstabilität signifikant verbessern soll.

Unter Anwendung des metabolischen Oligosaccharid-Engineerings kann auf einfache Art und Weise eine nicht wasserlösliche, funktionalisierte extrazellulläre Matrix (FEZM) hergestellt werden, die zur Beschichtung von Implantaten verwendet werden kann. Die neuartige Beschichtung verbessert die Zell-Material-Interaktion an der Grenzfläche von Gewebe zu Biomaterial (z. B. Titan) und kann auf Basis eigener Zellen des Implantat-Empfängers realisiert werden, wodurch Immunogenität nicht zu erwarten ist.

Hintergrund

Die native humane extrazelluläre Matrix (engl. extra-cellular matrix, ECM) bildet in einem humanen Gewebe die natürliche Umgebung der darin befindlichen Zellen. Sie besteht aus einem komplexen Netzwerk aus verschiedensten Biomolekülen und ist u. a. am Aufbau und Umbau von Geweben beteiligt. Die hohe biologische Aktivität wird in der vorliegenden Technologie für die Verbesserung der Zell-Material-Interaktion an der Grenzfläche von Geweben zu künstlichen Materialien, hier insbesondere zu Implantaten, ausgenutzt, um die Versorgung von Knochen- und Gelenkdefekten zu verbessern. Die ECM wird mit funktionellen Gruppen modifiziert, um eine kovalente, d. h. feste, chemische Anbindung an eine ebenfalls funktionalisierte Materialoberfläche zu generieren. Auf diese Weise kann eine Implantatbeschichtung erzeugt werden, die im Vergleich zu herkömmlichen biologischen Beschichtungen deutlich stabiler ist und das Einwachsen des Implantats aufgrund der hohen biologischen Aktivität der verwendeten komplexen ECM in das umliegende Gewebe signifikant verbessert.

Problemstellung

Implantate bestehen häufig aus Metallen wie bspw. Titan. Diese Implantatmaterialien stellen für den Organismus einen Fremdkörper dar, dessen Integration (bspw. in den Knochen des Patienten) trotz der insgesamt guten Bioverträglichkeit des Materials auch heutzutage noch problematisch ist. Um diese Integration in das natürliche Gewebe zu verbessern, wurden verschiedenste Methoden entwickelt, mit dem Ziel die Oberflächenstrukturen und -eigenschaften von metallischen Implantaten dem natürlichen Knochen anzupassen (“bone mimic“). Beispiele für solche Methoden stellen z. B. die Modifikation der Oberflächentopografie oder die Aufbringung von knochenimitierenden Hydroxyapatit-Beschichtungen dar. All diese Methoden haben jedoch Nachteile und führen nicht zu vollständig befriedigenden Ergebnissen. Eine stabile Beschichtung mit einer komplexen ECM war insbesondere auf planaren oder glatten Trägermaterialien bislang nicht möglich. Herkömmliche Beschichtungen mit komplexer ECM beruhten bislang lediglich auf Physisorption, d. h. der Anhaftung der Biomoleküle durch physikalische Wechselwirkungen mit der Oberfläche, wodurch keine ausreichende Stabilität erzeugt werden konnte.

Lösung

An den Universitäten Stuttgart und Konstanz konnte nun eine innovative Methode entwickelt werden, durch welche die komplexe ECM mithilfe des metabolischen Oligosaccharid-Engineerings auf natürliche Art und Weise mit funktionellen chemischen Gruppen ausgestattet werden kann, die anschließend über bioorthogonale Ligationsreaktionen (sogenannte Click-Reaktionen) kovalent an ihrerseits funktionalisierte Oberflächen stabil gebunden werden können. Auf diese Weise gelingt es, eine nicht wasserlösliche, click-funktionale ECM (clickECM) herzustellen, die sich bis auf die funktionellen Gruppen nicht von den natürlich vorkommenden Matrices unterscheidet. Die zu beschichtenden Materialien, wie bspw. Titan, können dazu mittels Plasmatechnologie oder mithilfe nasschemischer Methoden mit den hierfür benötigten Click-Gruppen ausgerüstet werden. Da spendereigene Zellen zur Herstellung der clickECM verwendet werden, ist keine Immunogenität der Implantatbeschichtung zu erwarten.

Grafische Darstellung des Beschichtungsvorgangs
Durch Zugabe von funktionalisierten Monosacchariden zum Zellkulturmedium (A) entsteht eine FEZM (B) welche isoliert und aufgereinigt werden kann (C). Titanimplantate wie z. B. Hüftprothesen (D) können nach einer nasschemischen Modifizierung (E) mit dieser FEZM über eine kovalente chemische Reaktion beschichtet werden (F).
Darstellung der Zelladhäsion auf unterschiedlich beschichteten Oberflächen

Vorteile

Beschichtung eines Implantats (Trägers) mit clickECM:

  • sehr ähnlich dem biologischen Gewebe
  • ermöglicht stabile Beschichtungen unter physiologischen Bedingungen
  • einfaches Herstellungs- und Aufreinigungsverfahren
  • personalisierte Beschichtung: Herstellung aus spendereigenen Zellen lässt eine gesteigerte Verträglichkeit erwarten
  • kann steril bereitgestellt werden
  • kostengünstig herstellbar

Anwendungsbereiche

Beschichtung von Implantaten

Exposé
Kontakt
Dr. Frank Schlotter
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Late basic research / TRL2
Patentsituation
DE 102014222898 A1 anhängig
PCT anhängig
Referenznummer
14/058TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Kooperation und Lizenznahme.