NanoTune

Einfluss von nanostrukturierten Titanoberflächen auf das osteogene Differenzierungs­verhalten von humanen mesenchymalen Stammzellen in Kombination mit chemischen und biologischen Oberflächenmodifikationen

Der Einfluss von anisotropen, geordneten Oberflächentopographien im unteren Nanometer­bereich auf das Zellverhalten humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSC) ist bislang noch unzureichend erforscht. Topographien mit vertikalen Dimensionen im einstelligen sowie late­ralen Dimensionen im zweistelligen Nanometerbereich, insbesondere in Kombination mit de­finierten chemischen und proteinbiochemischen Oberflächenmodifikationen, beinhalten Po­tential, osteogenes Zellanwachsverhalten positiv zu beeinflussen. Hierdurch könnte die Osseointegration von z. B. dentalen oder orthopädischen Implantaten verbessert werden.

Im dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projekt NanoTune soll ergründet werden, ob und in welcher Weise Nanostrukturen auf Titan-Substraten, sowohl nativ als auch verstärkt mit chemisch-biologischer Modifikation, signifikanten Einfluss auf das Adsorptionsverhalten von Proteinen sowie auf das Adhäsions-, Migrations-, und osteogene Differenzierungsverhalten von hMSC nehmen können. Durch Ionenbestrahlung werden ge­ordnete wellenförmige Rippelmuster mit lateralen Perioden im Bereich einiger zehn Nanome­ter sowie entsprechenden Höhen erzeugt. Durch Silanisierung und anschließende gerichtete Quervernetzung werden unterschiedliche Oberflächenmodifikationen erzeugt sowie für die Stammzelladhäsion, -migration, und –differenzierung wichtige Proteine angekoppelt. Auf den unmodifizierten sowie auf den chemisch funktionalisierten Oberflächen wird die unspezifische Adsorption dieser Proteine über oberflächenanalytische Methoden, insbesondere QCM-D, AFM und PM-IRRAS, sowie immunochemische Untersuchungen analysiert. Die innerhalb die­ses Projektes gewonnenen Erkenntnisse zur Stammzellantwort auf Strukturen im kleinen Na­nometerbereich werden dazu beitragen, das Verständnis hinsichtlich der Mechanismen der Osseointegration metallischer Implantate zu verbessern.

Abbildung 1: Nanostrukturen beeinflussen die Orientierung von Pseudopodien. REM-Aufnahmen von Pseudopodien von MG-63-Zellen, ausgesät auf (a) poliertem Aluminiumoxid und (b,c) Ripple Muster mit (b) 24 nm und (c) 179 nm Periodizität. Eine stärkere Vergrößerung von (c) is dargestellt in (d). Die REM-Bilder wurden nach drei Tagen Kultivierung aufgenommen. Die Länge der Skalierungsbalken ist jeweils 2 µm.1

1 Wittenbrink I, Hausmann A, Schickle K, Lauria I, Davtalab R, Foss M, Keller A, Fischer H (2015). Low-aspect ratio nanopatterns on bioinert alumina influence the response and morphology of osteoblast-like cells. Biomaterials 62: 58-65.