D7: Implantatoberflächen

Hintergrund
In der Orthopädie stellt die aseptische Endoprothesenlockerung immer noch eine schwierige Herausforderung dar. Die Lockerung erfordert in der Regel eine Revisionsoperation, die für den Patienten eine große Belastung darstellt und mit hohen Kosten verbunden ist. Für die mangelnde Knochenfixierung (Osteointegration) ist eine Spaltbildung zwischen Implantat und Knochen verantwortlich. Um diese Spaltbildung zu minimieren, ist es notwendig, das Anwachsen des Knochens an das Implantat zu unterstützen.

Forschungsansatz
Ziel des Teilprojektes D7 ist die Verbesserung der Verankerung von Endoprothesen durch eine Oberflächenfunktionalisierung mit Signalproteinen, die das Knochenwachstum unterstützen und dadurch zu einer Langlebigkeit des Verbundes führen sollen.

Entwicklung von Copolymeren für die kovalente Anbindung
Die Proteine sollen mittels einer Polymerzwischenschicht an der Oberfläche der Implantate immobilisiert werden, um sie dauerhaft am Wirkort zu lokalisieren. Voraussetzung für die Auswahl der Polymerkopplungsschicht ist die stabile Bindung an das Implantat und eine gute Biokompatibilität, welche mindestens so gut sein sollte wie die einer Titanoberfläche. Das Copolymer, welches diese Voraussetzung aufgrund eingehender Untersuchungen am besten erfüllte, besteht aus den Komponenten  Vinylbenzylphosphonat (VBP) und Glycidylmethacrylat (GMA).

Immobilisierung von rekombinant hergestellten Proteinen
Um das Anwachsen des Knochens an das Implantat zu unterstützen, werden unterschiedliche, sich ergänzende Ansätze verfolgt. Der eine Ansatz beruht auf der Beschichtung mit Wachstumsfaktoren wie zum Beispiel dem Bone-Morphogenetic-Protein-2 (BMP-2), welche das Knochenwachstum unterstützen sollen. Der Nachweis der biologischen Aktivität des immobilisierten BMP-2 wird über den bereits etablierten BRE-Luc-Test durch Bestimmung der Luziferase-Aktivität durchgeführt.
Zudem ist der Einsatz von anti-inflammatorischen Faktoren (IL-1RA, sTNF-R) vorgesehen. Diese sollen Entzündungsprozesse unterbinden und in Kombination mit den Wachstumsfaktoren zu einer optimierten Knochenbildung führen.

Erforschung intrazellulärer Signalwege
Der Einsatz von antiinflammatorischen Faktoren ist aufgrund von eigenen molekularbiologischen Forschungsergebnissen erstrebenswert. Es konnte gezeigt werden, dass einer der zentralen Signalmediatoren der Entzündung, der Faktor TAK1 (TGF-β-activated kinase 1), mit den Signalmediatoren der BMP-Familie, den sog. Smads, interagiert und ihre Wanderung in den Zellkern verhindert, so dass die BMP-abhängige Initiierung zellulärer knochenbildender Prozesse inhibiert wird. Wenn diese inhibitorische Aktivität von TAK1 verhindert wurde, erhöhte sich die zelluläre Knochenbildungsrate signifikant.

Vision der Forschungsarbeiten ist die optimierte Verankerung vom Implantat im Knochen durch eine verbesserte Knochenheilung. Durch den Einsatz neuer Beschichtungsmaterialien soll die Menge an verfügbaren, aktiven Signalproteinen noch weiter erhöht werden.