Oberflächen (Funktionalisierung, Beschichtung, Strukturierung)

P38

Migration of osteoblasts during dissolution of cell spheres on defined surfaces

*U. Plate¹, K. Urban², S. Schäfer¹, M. Gerber¹, M. Dekiff³, D. Dirksen³

¹Universitätsklinik Münster, AG Regenerative Medizin & Vaskuläre Biologie oraler Strukturen; Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Münster, Deutschland

²Universitätsklinik, Department of Operative Dentistry, Münster, Deutschland

³Universitätsklinik Münster, Department of Prosthetic Dentistry and Biomaterials, Münster, Deutschland

Introduction:

In "bone tissue engineering" and "bone regeneration" in vitro cultured cells can be applied as a cell-matrix on biomaterials and can be implanted into, e.g. bone defects as cell micro-masses (cell spheres).

Materials and Methods:

Primary osteoblasts were obtained from the periosteum of bovine metacarpals, proliferated as monolayers, passaged and subsequently cultured on a mixture of agarose and Leibovitz medium to produce three-dimensional cell spheres. These spheroids formed by osteoblasts have features of bone tissue with respect to the formation of the extracellular cell matrix (ECM) - complexes.

Results and Discussion:

With adhesion of the osteoblastic spheres on substrate surfaces different reactions of the spheres are observed depending on the substrate surface. For our investigations those substrates are of interest, on which the spheres dissolve by migration of the cells, e.g. collagen I, poly-L-arginine hydrochloride, dextran sulfate sodium salt, poly-L-lysine hydrobromide, polyglactose. Our studies in this field have been carried out by laser scan and by SEM-investigations. The cell-tracking was carried out by optical investigations and the ECM with special attention to the matrix proteins osteonectin, collagen type I, osteocalcin and osteopontin by immunhistochemical methods. During dissolution of the cell spheres the cells disperse statistically from the respective cell spheres on the adherent surfaces also with respect to the formation of the extracellular cell matrix (ECM) - complexes. Thus, this biomaterial of cell- spheres can act as coating material, in bone defects as a surface with ECM for native-like bone formation and regeneration.

Looking further ahead the cell spheres should be used as coating, netting material during bone formation and regeneration, e.g. applied directly to bone surfaces and/or to substitute bone materials like PLA/PGA copolymers.

P39

Biophysikalisch Nanofunktionalisierte Oberflächen mit antibakterieller Wirkung

*X. Xiong¹, R. Krastev¹, M. Martina², C. Burkhardt², H. Kühn³, H. Jundt⁴

¹NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Biomaterialien, Reutlingen, Deutschland

²NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Reutlingen, Deutschland

³Nanokraft Coating GmbH, Turmstr. 4, 78234 Engen, Deutschland

⁴Ritzi Lackiertechnik GmbH, 78609 Tuningen, Deutschland

Einleitung:

Der Übertragung von Krankheitserregern kommt durch die zunehmende Bevölkerungsdichte und Konzentration auf urbane Ballungszentren sowie internationalen Austausch eine immer kritischere Bedeutung zu. Die Gefahren von Keimübertragungen und Ausbreitung insbesondere multiresistenter Keime sind allgemein drastisch gestiegen. Hier können neue Produktionstechnologien ansetzen, die durch innovative Fertigungsverfahren auf die Integration zusätzlicher, keimtötender Funktionalitäten z. B. in Oberflächen von Gegenständen des allgemeinen Gebrauchs zielen. In kritischen Umgebungen wie OP-Saal oder Intensivstation schwankt der Schutz in Abhängigkeit von den jeweiligen Putz- bzw. Sterilisationszyklen. Im Bereich z.B. des öffentlichen Nahverkehrs und in Flughäfen, öffentlichen Gebäuden, Einkaufszentren etc. ist eine ansatzweise ausreichende Desinfektion kaum realisierbar. Trotz gesteigerter Anstrengungen bestehen hier Hygienelücken, verbunden mit erheblichen Gefährdungspotentialen.

Materialien und Methoden:

Daher erlangen Oberflächenfunktionalisierungen mit antimikrobieller Wirksamkeit eine zunehmende Bedeutung: Sie können bereits die Ansiedlung von Keimen unterbinden und entfalten im Idealfall die keimhemmende Wirkung direkt, anhaltend, flächendeckend und erfordern keine fortlaufenden (Hygiene-)Maßnahmen. Darüber hinaus, stellt sich eine weitere Herausforderung derartiger Entwicklung, wie man die Funktionalität der Oberfläche relativ einfach und sensibler überprüfen kann. Routinemäßig wird die ISO22196 Verfahren basierte Methode durchgeführt, wobei die pathogenen Stämme durch risikofreie Stämmen für breite Anwendbarkeit ersetzt werden.

Hier präsentieren wir die Entwicklung von einer antimikrobiellen Polymer-Beschichtung und ihre Charakterisierung. Besonderer Wert wird auf die Aufklärung des Wirkungsmechanismus gelegt, somit man die bereits wirksamen Polymere gezielt auf die Beschichtung aufbringen kann und die Beschichtung weiter optimieren kann. Eine auf Raman Spektroskopie basierende Technik wurde entwickelt um die Präsenz des wirkenden Polymers zu detektieren und quantifizieren. Dadurch können kleine Veränderungen in der Oberfläche im Bereich von 5x5x5 μm³ erfasst werden, welche die Optimierung der Oberfläche stark unterstützt.

Ergebnisse und Diskussion:

Durch die Ramanspektroskopie können nicht nur der Wirkstoff identifiziert und quantifiziert werden, sondern die Wirkung kann auch in Abhängigkeit von Konzentration des Wirkstoffs sehr präzise analysiert werden.

(BMBF Förderkennzeichen 13N13010)

P40

Osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen (hMSC) nach Beschichtung von Ti6Al4V mit Polydopamin und thrombozytären Wachstumsfaktoren

*E. Mempel¹, E. Peter¹, C. Sengstock¹, D. Seybold¹, T. A. Schildhauer¹, M. Köller¹

¹BG Universitätsklinikum Bergmannsheil, Chirurgische Klinik und Poliklinik, Chirurgische Forschung, Bochum, Deutschland

Einleitung:

Die langfristige Integration von Endoprothesen erfordert neue Ansätze zur Optimierung der Implantatverankerung. Zu diesem Zweck wurde eine duale Beschichtung aus Polydopamin (PDA) und thrombozytären Wachstumsfaktoren getestet. Das dem Prinzip der Muschelanhaftung analoge PDA gilt als vielversprechender Ansatz für die Immobilisierung von Biomolekülen auf Implantaten.

Materialien und Methoden:

Zur Gewinnung von thrombozytenhaltigem Plasma (platelet poor plasma, PPP) bzw. thrombozytenfreiem Plasma (platelet free plasma, PFP), als Kontrolle, wurde Vollblut verschieden zentrifugiert (2000xg, 45 min; 700xg, 8 min). Es erfolgte die Thrombozyten-Degranulation mittels Einfrier-/Auftauprozess (flüssiger Stickstoff für 2 min; 37°C, 5 min). Probekörper aus Ti6Al4V (ø 12 mm) wurden für 24 h per Dip-Coating-Verfahren mit einer PDA/Tris-HCl-Lsg. (2 mg/ml) bei pH 8,5 beschichtet. Ein Teil der Proben wurde mit 500 μl PPP bzw. PFP für 1h beschichtet. Beschichtungsvariationen: PPP, PFP, PDA/PPP, PDA/PFP vs. unbeschichteten Probekörpern (Kontrolle).

Ein Nachweis der PDA-Beschichtung erfolgte mittels Fluorescamine und REM/EDX. Die Proben wurden mit hMSC besiedelt. Die Proliferation der hMSC wurde fluorophotometrisch gemessen (AlamarBlue-Assay). Die osteogene Differenzierung wurde über die Mineralisierung (Alizarin Red S/ Cetylpyridinium-Extraktion) und Aktivität der alkalischen Phosphatase (AttoPhos) nachgewiesen.

Ergebnisse und Diskussion:

Es zeigte sich eine signifikant höhere osteogene Aktivität von PDA/PPP im Vergleich zur Kontrolle (p<0,0005) sowie zu PDA (p<0,0005) und PPP (p<0,05). Die Aktivität der alkalischen Phosphatase war signifikant gesteigert (PDA/PPP vs. Kon: p<0,005). Ein signifikanter Einfluss der Beschichtung auf die Proliferation wurde nicht nachgewiesen. Die Studie zeigt, dass eine Beschichtung mit PDA ein vielversprechender Ansatz zur Immobilisierung von autologen thrombozytären Wachstumsfaktoren auf Implantaten darstellen kann.

P41

The corrosion behavior of MgO model oxide surfaces in SBF is investigated. The corrosion mechanism and the nucleation and growth of surface layers relevant for biomineralisation was studied by means of in-situ AFM and complemented XPS. The results are discussed in terms of delicate interplay between the dissolution and growth of surface layers.

*I. Giner¹, A. Keller¹, G. Grundmeier¹

¹Herr, Paderborn, Deutschland

Introduction:

The understanding of corrosion processes taking place on metal implants in human body is one of the major challenges of modern bio-materials science. Mg-based alloys have attracted great amount of interest as biocompatible materials due to their mechanical properties as well as bioresorbability. However, the unexpectedly high and unpredictable degradation rate of these materials in vivo conditions hinders their utilization in biomedical implants. Therefore, the design of Mg-based alloy implants requires a fundamental understanding of corrosion processes under physiological conditions.

The variety and complexity of the processes involved in the overall corrosion behavior of Mg based alloys makes extremely difficult their study on the alloys itself. Hence the use of model oxides for the study of such processes is justified. [1] The use of model oxides enables the study of basic features related to the hydroxide formation, stability and leaching. Furthermore fundamental aspects about the mechanistic and kinetic corrosion can be elucidated. The use of model oxides provide an excellent platform for studying induce biomineralisation process. Within this work, MgO (100) single crystals have been used.

Materials and Methods:

MgO (100) single crystals are described as basic model oxides for studying the metal oxide/water interface at a molecular level. The effect of different parameters, such as electrolyte pH and chloride on the degradation process were studied by means of in-situ AFM. Ex-situ XPS analysis was performed to support the in-situ studies.

Results and Discussion:

Bare MgO surfaces were exposed to SBF as electrolyte resulting in a rapid dissolution due to the attack of chloride ions, which lead to the growth of etch pits. At initial immersion stages, the dissolution of the surface dominates the overall corrosion behavior whereas biomineralisation becomes relevant at later stages leading to a conversion of the surface chemical composition. However, a delicate interplay between the dissolution and growth of surface layers is observed. Square etch pits are observed for the first time at the physiological pH-value. The development of square etch pits agrees with the most stable thermodynamic corrosion mechanism on MgO surfaces. Moreover, a two-step biomineralisation process is observed. First the released Mg²⁺ ions from the surface are incorporated into the hydrated phosphate adlayer which serve as binding sites for calcium phosphate nuclei or direct Ca²⁺ adsorption. Thus, the growth of apatite-like layers takes place once the surface is stabilized by the development of a magnesium phosphate adlayer [2].

References:

[1] Giner, I, Ozcan, O and Grundmeier, G, Corr. Science, (87), 51, 2014

[2] Giner, I, Keller, A and Grundmeier, G, Corrosion Science, 2015, submitted

The authors gratefully acknowledge the financial support from the Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) IGF 358 ZN/2.

P42

Electrochemical deposition of strontium - substituted hydroxyapatite and magnesium/ strontium-co-substituted hydroxyapatite coatings on titanium niobium alloys

L. Morejón-Alonso¹, L. Nascimento², C. Mochales Palau², H. Renz³, *W.- D. Müller²

¹Chemistry Faculty. Havana University, General Chemistry, Havana, Kuba

²Institute for Dental, Oral and Maxilary Medicine (CC3), Charité-Universitätsmedizin Berlin, Dental and Biomaterial Research Group, Berlin, Deutschland

³Institute for Dental, Oral and Maxilary Medicine (CC3), Charité-Universitätsmedizin Berlin, Oral Structural Biology Research Group, Berlin, Deutschland

Introduction:

Titanium and its alloys are an excellent choice for long-term implant application due to their good biocompatibility, high corrosion resistance and light weight. To improve their biological performance, hydroxyapatite (HA) coatings are frequently used in clinical applications; however, pure HA never occurs in biological systems and therefore, ionic substitutions have been proposed to enhance some properties. Among the different methods to produce HA coatings on titanium (Ti); the electrochemical deposition (ECD) is a useful technique based on their high versatility and ability to coat irregular implant surfaces. For that reason, the aim of this work was to synthesize and characterizes Sr and Sr-Mg- substituted hydroxyapatites coatings obtained by ECD onto titanium niobium alloys (Ti-40Nb).

Materials and Methods:

The ECD was carried out on a VoltaLab 80 (PGZ 402) using Ti-40Nb rods (Leibniz-IFW, Dresden) as working electrode, platinum as counter electrode and a saturated calomel electrode (SCE) as the reference electrode. The coating was conducted in an electrolyte composed of 0.61mM Ca(NO₃)₂.4H₂O and 0,36mM (NH₄)₂HPO₄ and different amounts of Sr(NO₃)₂ and MgCl₂.6H₂O in (Ca + X)/P molar ratio of 1.67, where X=Sr or X=Sr+Mg. The reaction conditions were: pH=6, ~3mA/cm² current density, 200rpm stirring, 2h of deposition time and 85°C. Surface pre-treatments included mechanical grinding with SiC papers (P320 to P4000 grit), polished with 1-3μm diamond paste and surface activation in 20% v/v HF solution. The microstructure and chemical analysis of the coatings was characterized by SEM microscopy (Camscan MaXim2040S) coupled with and EDS Quantax 400, Bruker.

Results and Discussion:

The results showed that it is possible to obtain a Sr-HA or Sr-Mg-HA coatings onto Ti-40Nb alloys by ECD under certain synthesis conditions. The incorporation of 0.5%of Sr into HA produces a homogenous layer with a cauliflower-like microstructure; while the incorporation of both ions (Sr + Mg= 1%) caused a change in microstructure and a decrease in the homogeneity and crystallinity of the deposited layer due to the presence of Mg. As the deposition time raises, the thickness of the deposited layer increases; though, the adhesion of the layer is reduced.

References:

Wang H., Eliaz N., Hobbs L.the nanostructure of an electrochemically deposited hydroxyapatite coatings. Mat Letters 2011, 65:2455-57

Aina V. et al. Magnesium- and strontium-co-substituted hydroxyapatite: the effects of doped-ions on the structure and chemico-physical properties. J Mater Sci: Mater Med 2012, 23(12):2867-79

P43

Development of nano electrodes for cell stimulation and reduced foreign body reaction

*T. Weigel¹, J. Choi¹, T. Schmitz¹, M. Jannasch¹, S. Gätzner¹, J. Hansmann¹

¹Uniklinik Würzburg, Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin, Würzburg, Deutschland

Introduction:

A central challenge of current pacemakers is a high energy consumption caused by inefficient electrical stimulation of the cardiomyocytes. Leakage currents, the distance between electrode and target cells as well as the encapsulation of the electrode through the foreign body reaction (FBR) are reasons for this.

In our study, nanostructured electrodes are developed to minimize the energy loss at the interface between electrode and tissue/cell. Therefore, conductive electrospun scaffolds with different dimensions are generated, to identify an ideal electrode configuration that provides direct cell-tissue contact and a reduced FBR.

Materials and Methods:

The conductive nano fibers were generated by electrospinning of a polyacrylonitrile (PAN) solution with different fiber orientations and diameters. Through an oxidation step and subsequent carbonization, the PAN fibers were converted to carbon fibers. The properties of the fibers were characterized by SEM, measurements of conductivity, and electrical impedance. Biocompatibility was investigated with human fibroblasts. The electrical stimulation characteristics were tested with muscle tissue in an organ bath.

Results and Discussion:

The carbon nano fibers for the cell test exhibited a diameter of about 140, 290 and 530 nm. While the 140 nm fibers are completely disorientated, the other fibers showed a preferred orientation. The conductivity of the fibers was approximately 100 S/cm. Contact angle measurements, impedance spectroscopy and protein adsorption assays demonstrated interaction of the nano fibers with the cell culture medium. Cell test showed the reaction of human fibroblasts on the different fiber morphologies. When instituting the generated electrodes to simulate the energy consumption of the nano fiber electrodes and commercial electrodes.

P44

Enhancement of bone regeneration: Struvite coatings doped with strontium

*M. Meininger¹, J. Zerweck¹, C. Wolf-Brandstetter², U. Gbureck¹, J. Groll¹, C. Moseke¹

¹University of Würzburg, Department for Functional Materials in Medicine and Dentistry, Würzburg, Deutschland

²Technische Universität Dresden, Institute of Materials Science, Max Bergmann Center of Biomaterials, Dresden, Deutschland

Introduction:

The fixation of implants in bone is particularly important to enable a fully functional prosthesis. Especially, when diseases like osteoporosis weaken the bone, this is still challenging. Electrochemically assisted deposition (ECAD) of calcium or magnesium phosphate coatings is a promising approach to improve implant fixation in bone. Here, we produced homogeneous struvite coatings on titanium, in which strontium was co-deposited in order to enhance the bone stimulating ability of these coatings

Materials and Methods:

Before coating, the titanium disks were sandblasted to increase surface roughness. The electrolyte was composed of 33 mmol/L (NH₄)H₂PO₄, 95 mmol/L HNO₃ and 50 mmol/L MgO with added strontium nitrate in three different concentrations, 0.13 mmol/L, 1.3 mmol/L and 13 mmol/L. ECAD was conducted with a galvanostat at optimized conditions at 30 °C with pulsed current (t_on 5 s, t_off 1 s). Coatings were characterized with X-ray diffraction and scanning electron microscopy regarding their phase composition and morphology. Release experiments were conducted for 28 days in simulated body fluid (SBF)^[1] and SBF with 10 % (v/v) fetal calf serum (FCS). The medium was changed daily and the strontium, magnesium and phosphate content measured with inductively coupled plasma mass spectrometry.

Results and Discussion:

Strontium was successfully integrated in dense and homogeneous struvite coatings and the strontium content could be adjusted by the coating parameters. Total amounts ranged from 47 μg/mg to 134 μg/mg strontium per coating mass. Strontium was released continuously over 28 days and the mass was dependent on the content in the coating. Additionally, the release in protein FCS-containing SBF was nearly doubled. The coatings released a maximum of 44 % of the incorporated strontium, thus an even longer release seems possible. The release of strontium from implant coatings is promising to enhance bone formation and thus the fixation of implants.

Acknowledgement:

The authors wish to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft for their financial support (DFG MO 1768/2-1)

References:

[1] T. Kokubo et. al., J. Biomed. Mater. Res.1990, 24, 721-734.

P45

Nanoporous Titania Thin Films for Controlled Drug Delivery Systems on Dental Implants

*P. Abendroth¹, K. Doll², J. Schaeske², A. Winkel², M. Stiesch², P. Behrens¹

¹Leibniz Universität Hannover, Institut für Anorganische Chemie, Hannover, Deutschland

²Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für Zahnärztliche Prothetik und Biomedizinische Werkstoffkunde, Hannover, Deutschland

Introduction:

Nowadays more than one million dental implants per year are implanted in Germany. With the progressive aging of the population these prostheses gain ever more importance, but the very high prevalence of implant-associated infections caused by bacteria frustrate their success [1]. Spreading inflammations as well as loosening and loss of implants are the results. Therefore, pathogenic bacteria must be effectively killed shortly after implantation and suppressed during the life-time of the implant. A local drug delivery from the implant surface offers an opportunity for a fast and comprehensive suppression of pathogens.

Materials and Methods:

Nanoporous titania coatings were prepared on titanium substrates by dip-coating using an evaporation-induced self-assembly process and the block copolymer Pluronic^® F127 as structure-directing agent [2]. With the help of a rigid control of the relative humidity as well as different aging and calcination procedures the porosity of coatings was tailored. To upgrade these biomaterials to drug delivery systems post-synthetic modifications and drug loadings were necessary. However, we aim to develop a controlled drug release adapted to the infection state. A decrease of the local pH or variations of redoxpotentials caused by microbes seem to be suitable triggers. For this purpose, we used phosphonates as linkers [3] and stimulus-responsive polymers.

Results and Discussion:

We obtained thin films containing relatively ordered pore systems with pore sizes of 6.5 nm. The total storage volume and thickness are adjustable by the variation of the dipping speed. Different phosphonic acids were successfully attached on these thin films. Moreover, the physiological integrity and mechanical stability are of particular importance. Only tightly attached coatings with a high resistance to hydrolysis and good biocompatibility are suitable for the application on dental implants.

This work is supported by the Volkswagen Foundation and the State of Lower Saxony within the research consortium “Biofabrication for NIFE” of Hannover Medical School, Leibniz University Hannover and Hannover University for Music, Theatre and the Media.

References:

[1] Cecchinato, D. et al., Clin. Oral Impl. Res., 2014, 25, 791-796

[2] Crepaldi, E. L. et al., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 9770-9786

[3] Queffélec, C. et al., Chem. Rev., 2012, 112, 3777-3807

Figure 1

P46

Carbon-based Coatings for Neural Interface Electrodes

*N. Burblies¹, J. Schulze², H.- C. Schwarz¹, N. Ehlert¹, K. Kranz², K. Wissel², A. Warnecke², P. Behrens¹

¹Leibniz Universität Hannover, Institut für Anorganische Chemie, Hannover, Deutschland

²Hannover Medical School, Department of Otorhinolaryngology, Hannover, Deutschland

Introduction:

Long-term biointegration and the improvement of the function are main requirements for neural interface electrodes, e.g. cochlear electrodes or other stimulating implants [1]. Especially carbon nanotubes (CNTs) are in focus for neural interface applications [2], but also porous carbon materials are of great interest for biomedicine due to their remarkable properties [3]. Our approach is the chemical modification of the electrode surface to improve the contact of the cochlear electrodes to the nerve fibers and to minimize the impedance of the electrical contact. Additionally, a porous system provides the opportunity to establish a drug delivery system. For this purpose, the platinum surfaces of these electrodes shall be equipped with two different types of coatings based on different carbon materials: carbon nanotubes and porous carbon.

Materials and Methods:

Long-term stable aqueous CNT dispersions were obtained via reflux acid-treatment of as-received CNTs and following sonication. These CNT dispersions were used to coat platinum samples via spray coating. Porous carbons were synthesized as reported in the literature [4]. Electrode slurries of these porous carbons were prepared by mixing the carbon material with different binder polymers (sodium carboxymethyl cellulose or chitosan) in different solvents (water or acetic acid) in a turbo speed mixer. Porous carbon films were produced via doctor blading method.

Results and Discussion:

Topography and thicknesses of the films were investigated via SEM (Fig. 1) and confocal microscopy. Electrochemical investigation was carried out by using impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. Cell culture experiments were performed with fibroblasts and spiral ganglion neurons. Morphology and GFP expression were investigated by fluorescence microscopy (Fig. 2) and the number of cells was determined after cultivation. Both types of coatings show enhanced electrical properties and good cytocompatibility for the tested cell lines.

Acknowledgement:

This work was supported by the DFG within the Cluster of Excellence Hearing4all.

References:

[1] Stöver, T., Lenarz, T.; GMS Curr Top Otorhinolaryngol Head Neck Surg(2009) 8; 1-22

[2] Bareket-Keren, L., Hanein, Y.; Front Neural Circuits (2012) 6; 1-16

[3] Liang, C., et al.; Angew. Chem. Int. Ed. Engl.(2008) 47; 3696-3717

Figure 1

Figure 2

P47

Untersuchungen zur antibakteriellen Wirksamkeit von biokompatiblen Co-Polymeren anhand von teilbeschichteten Titanprüfkörpern

*A. Winkel¹, W. Dempwolf², M. Sluszniak², S. Grade¹, W. Heuer¹, H. Menzel², M. Stiesch¹

¹Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für Zahnärztliche Prothetik und Biomedizinische Werkstoffkunde, Hannover, Deutschland

²Technische Universität Braunschweig, Institut für Technische Chemie, Braunschweig, Deutschland

Einleitung:

Eine signifikante Bedrohung für den langfristigen Erfolg medizinischer Implantatversorgungen stellen nach wie vor periimplantäre Infektionen dar, ausgelöst durch bakterielle Biofilme, wie sie bevorzugt auf künstlichen Oberflächen entstehen. Sie verursachen zusätzliche Belastungen und Risiken für den Patienten sowie erhebliche Folgekosten für das Gesundheitssystem. Daher ist die Weiterentwicklung von Implantatoberflächen mit dem Ansatz der Biofilmreduktion bei gleichzeitig unbeeinträchtigter Funktionalität ein vordringliches Ziel in der modernen Implantatforschung. Gegenstand unserer Untersuchungen waren neben der Entwicklung und Charakterisierung von neuen ultradünnen Beschichtungssystemen sowohl die Anwendbarkeit in verschiedenen klinischen Fachgebieten mit unterschiedlichen pathogenen Organismen als auch die Optimierung bestehender In-vitro-Testsysteme für eine schnelle und kosteneffiziente Analytik.

Materialien und Methoden:

Titanprüfkörper wurden teilbeschichtet durch die kovalente Bindung antibakterieller Co-Polymersysteme. Diese wurden in vitro auf ihre antibakterielle Wirksamkeit gegenüber diversen klinischen Pathogenen mittels LIVE/DEAD-Assay getestet. Parallel wurde auch die Adhäsion und Proliferation von Zellen aus dem periimplantären Weichgewebe mittels modifiziertem LDH-Assay untersucht und im Rasterelektronenmikroskop dokumentiert.

Ergebnisse und Diskussion:

Anhand des Teilbeschichtungs-Models konnte eine zum Teil drastische Reduktion der bakteriellen Besiedlung von Titanprüfkörpern durch diverse klinische Pathogene (Streptococcus sanguinis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis) gezeigt werden. Zusätzlich gab das Model einen differenzierten Aufschluss über die Wirkmechanismen, indem Effekte, die nicht unmittelbar auf einen direkten Kontakt mit der Oberfläche zurückzuführen sind, ausgeschlossen wurden. Zusätzlich wurde auch die Anlagerung und das Wachstum von relevanten Gewebezellen auf den Beschichtungen untersucht, was Aufschlüsse darüber gab, welche Strategien geeignet erscheinen, um sie in Zukunft im periimplantären Bereich einzusetzen. In der Konsequenz konnten mehrere Co-Polymere identifiziert werden, die als Beschichtung von Titan antibakterielle Eigenschaften aufwiesen bei gleichzeitig guter Fibroblastenadhäsion.

Referenzen:

Winkel A, Dempwolf W, Gellermann E, Sluszniak M, Grade S, Heuer W, Eisenburger M, Menzel H, Stiesch M. Introducing a semi-coated model to investigate antibacterial effects of biocompatible polymers on titanium surfaces.Int J Mol Sci. 2015 Feb 17;16(2):4327-42. doi: 10.3390/ijms16024327.

P48

Combination of Pro-angiogenic and Bone Cell Attracting Coatings on Titanium Implants

*C. Wolf-Brandstetter¹, R. Beutner¹, C. Moseke², D. Scharnweber¹

¹TU Dresden, IfWW, Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien, Dresden, Deutschland

²University of Würzburg, Department for Functional Materials in Medicine and Dentistry, Würzburg, Deutschland

Introduction:

The aim of this study is to combine the chemotactic activities of the trace elements copper and zinc with inorganic surface modification techniques already successful in bone applications. In this combination chemotactic signals from released Cu ions are intended to provoke enhanced vascularization (demonstrated in vivo for amounts in the ng scale¹) while released Zn ions recruit circulating bone forming cells to the site of surgery. Calcium phosphate phases (CPP) are utilized as a carrier for the selected trace elements in order to i) provide crystalline osteoconductive surfaces and ii) to allow fine tuning of immobilized amounts and release behavior of the deposited trace elements.

Materials and Methods:

Depositions of brushite were performed by using electrolytes composed of 83.5 mM Ca(NO₃)₂ and 50 mM NH₄H₂PO₄ (pH 4.0) with or without additional Cu(NO₃)₂ or Zn(NO₃)₂ in different concentrations. Electrochemically assisted depositions (ECAD) were carried out at 30°C applying a current density of -1.0 to -2.0 mA/cm² for 10 - 53 min. Sandblasted and additionally acid etched c.p.Ti discs were used as substrates. The obtained coatings were characterized by i) scanning electron microscopy (SEM) combined with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), ii) chemical analysis of calcium and phosphate and zinc content in the layers following their dissolution in 0.1 N nitric acid with photometric assays and of copper content with atomic absorption spectroscopy

Results and Discussion:

Depositions of CPP in presence of Cu or Zn resulted in separate phases of brushite plates and Cu and Zn species, respectively (Fig. 1). The co-deposition of trace element species was found to be dependent primary on used concentration as well as on total applied charge (Fig. 2) while the corresponding amounts of brushite was mainly determined by deposition time irrespective of current density. The occurrence of dendritic structures (Fig. 1b). in case of Cu indicates the partial reduction to Cu(I) and the subsequent formation of Cu₂O crystals. Zn containing species homogeneously decorated the brushite plates.

It could be shown that copper and zinc can be co-deposited together with calcium phosphate onto metallic implant materials by means of electrochemically assisted deposition. Up to 0.3 mM addition of trace elements only minor changes occur in general structure and amount of the deposited calcium phosphate phase. The relative amount of copper (or zinc) to calcium is tunable in a wide range. Current investigations focus on quantification of ion release in serum protein containing solutions.

Acknowledgement:

The authors would like to thank the German Research Foundation (Grant no: WO 1903/2-1) for financial support.

References:

/1/ Barralet J. et al., Tissue Engineering 15: 1601, 2009

Figure 1

Figure 2

P49

Anpassung der Haftfestigkeit von Kollagenbeschichtungen auf synthetischen Polymeroberflächen

*I. Prade¹, M. Schröpfer¹, M. Meyer¹

¹FILK, Kollagen/Leder/Biopolymere, Freiberg, Deutschland

Einleitung

Die Adhäsion von Zellen an Biomaterialien, Implantatoberflächen und Tissue Engineering Produkten ist für die Ausbildung von Geweben in vitro und in vivo essentiell. Besonders eine Beschichtung mit extrazellulären Matrixproteinen wie Kollagen fördert die Besiedlung und beeinflusst die Proliferation und Differenzierung der Zellen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung ist allerdings eine gute Haftung der Kollagenschicht. Ziel dieser Studie war daher die Verbesserung der Kollagenhaftung auf Polymeroberflächen mittels Plasmafunktionalisierung.

Materialien und Methoden:

Polycaprolakton-Co-Lactid (P(LA-CL))-, Polylactid (PLA) und Polydioxanon (PDS)-Folien wurden im Niederdruckplasma mit Argon oder gasförmigem Fluor funktionalisiert und anschließend mit fibrilliertem Kollagen beschichtet. Die Veränderungen der Oberflächeneigenschaften der Folien wurden durch die Bestimmung des Kontaktwinkels und der Oberflächenenergie, sowie mittels Zetapotentialmessung charakterisiert. Die Haftfestigkeiten des Kollagens auf unterschiedlichen Oberflächen wurden mit einem Peeltester (Quad Group Inc.) gemessen und verglichen. Zur Identifikation chemischer Veränderungen auf den Oberflächen wurde die Elementzusammensetzung mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert und funktionelle Gruppen nach einer chemischen Derivatisierung quantifiziert.

Ergebnisse und Diskussion:

Der Peeltest ergab eine signifikante Erhöhung der Haftkraft von Kollagen auf allen Polymeren nach der Funktionalisierung. Dabei resultierte die Argonbehandlung in einer etwas höheren Haftverbesserung im Vergleich zur Fluorierung. Die Analysen der Oberflächen nach einer Funktionalisierung mit Argon ergaben eine verbesserte Hydrophilie sowie eine erhöhte Oberflächenenergie. Die Elementzusammensetzung zeigte keine signifikanten Unterschiede. Eine Derivatisierung der Proben mit TFAA (Trifluoressigsäureanhydrid) ergab aber einen signifikanten Anstieg von OH-Gruppen auf den Polymeroberflächen, was den verringerten Kontaktwinkel von Wasser erklären würde. Interessanterweise konnten auf den fluorierten Polymeren keine signifikanten Oberflächenveränderungen gemessen werden, obwohl die Haftfestigkeit des Kollagens auf das Doppelte gesteigert wurde. Bei der Behandlung 3-dimensionaler Proben konnte eine Schrumpfung der Materialien durch eine thermische Belastung während der Argon-Behandlung beobachtet werden. Die fluorierten Proben hingegen blieben unverändert.

Die vorliegende Studie zeigt, dass eine Oberflächenfunktionalisierung die Haftung von Kollagen auf synthetischen Polymeren verbessern kann. Eine Funktionalisierung mit gasförmigem Fluor eignet sich dabei besonders für temperaturempfindliche Materialien. Während die verbesserte Kollagenhaftung nach einer Argonbehandlung auf die Hydrophilie zurückgeführt werden kann, sind die Effekte der Fluorierung bisher nicht erklärbar.

Acknowledgement:

Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, ME3734/2-1).

P50

Der Einfluss von SLIPS Beschichtungen auf die bakterielle Adhäsion

*S. N. Stumpp¹, K. Doll¹, E. Fadeeva², B. Chichkov², M. Stiesch¹

¹Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für Zahnärztliche Prothetik und Biomedizinische Werkstoffkunde, Hannover, Deutschland

²Laser Zentrum Hannover e.V., Abteilung Nanotechnologie, Hannover, Deutschland

Einleitung:

Die bakterielle Besiedlung von Medizinprodukten und die daraus resultierenden entzündlichen Prozesse sind häufig die Ursache schwerwiegender Komplikationen. Ein präventiver Ansatz kann die Modifikation von Oberflächen mittels einer bakterienabweisenden „Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces“ (SLIPS) Beschichtung sein. Dabei wird ein inertes Öl auf der Werkstoffoberfläche immobilisiert und als Folge die Anlagerung von Bakterien minimiert. Ziel der Studie war die Bewertung der bakteriellen Adhäsion des Bakteriums Staphylococcus aureus an SLIPS modifizierten Titanoberflächen.

Materialien und Methoden:

Für die Versuche wurden 12mm Titanplättchen (Titan Grad 4) mittels oberflächenstrukturierender Laserbearbeitung modifiziert. Die Oberflächen wurde vor der biologischen Testung mit einem Epilamisierungsmittel (Antispread; Dr. Tillwich GmbH) vorbehandelt und mit den Krytox^®-Ölen (Costenoble GmbH) GPL 100, 143 AZ oder GPL 105 benetzt. Die Plättchen wurden in eine Suspension des Bakteriums Staphylococcus aureus DSM 20231 überführt und bei konstanter Schüttelbewegung für 5h bei 37°C inkubiert. Als Kontrolle wurden unbehandelte Titanplättchen mit polierter Oberfläche verwendet. Auf den Oberflächen anhaftende Bakterien wurden im Anschluss spezifisch lebend/tot gefärbt und die bakterielle Adhäsion mittels Konfokaler-Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht.

Ergebnisse und Diskussion:

Im Vergleich zu den unbehandelten Titanoberflächen zeigte sich eine deutliche Reduktion adhärenter Bakterien auf den SLIPS Beschichtungen. Diese war in Abhängigkeit von dem benetzenden Krytox^®-Öl unterschiedlich stark ausgeprägt und nahm mit steigender Viskosität der Öle zu.

Die SLIPS Beschichtung zeigt ein großes Potential um eine bakterielle Besiedlung von kontaminationsgefährdeten Oberflächen zu minimieren. Die Charakterisierung der zugrunde liegenden physikalischen aber auch biochemischen Wirkmechanismen sind das Ziel weiterführender Untersuchungen.

P51

Development of a biodegradable chitosan/bioactive glass coating for Mg alloys using electrophoretic deposition

*S. Heise¹, M. Höhlinger², H. Hornberger³, S. Virtanen², A. R. Boccaccini¹

¹Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg, Materials Science and Engineering - Biomaterials, Erlangen, Deutschland

²Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg, Surface Science and Corrosion, Erlangen, Deutschland

³Technische Universität Berlin, Werkstoffwissenschaften und -technologien - Werkstofftechnik, Berlin, Deutschland

Introduction:

Magnesium as a biodegradable implant has been used since 1878. However, still no commercial medical application exists, which is due to the rapid corrosion and the subsequent hydrogen evolution. One way to decrease the corrosion rate is the alloying of pure magnesium. This approach is limited by the low solubility of many elements in magnesium. A more promising way to control the corrosion is the surface modification of magnesium. [1]

The aim of this study is to develop a coating system of chitosan - bioactive glass layers deposited on the magnesium alloy WE43 via electrophoretic deposition [2]. The underlying corrosion mechanism is studied in order to improve the different degradation steps influencing each other. The adhesion of the coating to the substrate, which is likely affected by the surface roughness, is also investigated.

Materials and Methods:

For the electrophoretic deposition (EPD) bioactive glass and 0.5 g/l chitosan are dispersed in an ethanol/water mixture and 1% acetic acid. WE43 substrates are ground and pre-treated in order to adjust the surface roughness to achieve a good adhesion. The substrates are coated with chitosan and bioactive glass via EPD. The deposition parameters for stainless steel are taken and carefully adapted to fit the magnesium alloy in order to improve the corrosion behavior. The coatings are analyzed, inter alia, using SEM and pull off tests, while the corrosion behavior is studied with electrochemical impedance and polarization measurements [3].

Results and Discussion / References:

With the help of EPD a composite coating of chitosan-bioactive glass can be achieved. The bioactive glass is finely dispersed within the chitosan matrix, see Fig 1. Compared to simple dip coatings, the EPD layers show an enhanced adhesion to the magnesium alloy. Furthermore, the surface roughness of the substrate plays an important role for the adhesion. With the help of an appropriate pre-treatment to increase the surface roughness the adhesion can be enhanced even further. The use of different counter electrodes shows a different behavior for the magnesium alloy than for other metals. This can be explained by the high electrochemical activity of magnesium.

Samples pre-treated by etching in phosphoric acid or anodization exhibited the best results in terms of coating adhesion. Polarization measurements show that the composite coating acts as a barrier against corrosion, reducing the corrosion rate. Special interest is shown to understand the corrosion mechanism, especially to pitting corrosion.

Acknowledgement

This study is supported by German Science Foundation (DFG).

References:

¹ H. Hornberger, et al. (2012) Acta Biomater8:2442-55.

² A.R. Boccaccini, et al. (2010) J R Soc Interface7 Suppl 5:S581-613.

³ W.-D. Mueller and H. Hornberger (2014) Int J Mol Sci15:11456-72

Figure 1

P52

Oberflächenfunktionalisierung von Titan-basierten Materialien mit Detonationsnanodiamanten für biomedizinische Anwendungen

*J. Opitz¹, A. Q. Shaikh¹, D. Kovalenko¹, N. Beshchasna¹, J. Goncalves², R. Beutner³, D. Scharnweber³, J. Michael⁴, G. Cuniberti³

¹Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Bio- und Nanotechnologie, 01109, Deutschland

²Universtität, Kopenhagen, Deutschland

³Technische Universtität, Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien, Dresden, Deutschland

⁴Technische Universtität, Lehrstuhl für Biochemie, Dresden, Deutschland

Einleitung:

Detonationsnanodiamanten (DND) können zur Verbesserung der Oberflächen- und Volumeneigenschaften verschiedener Biomaterialien (Metalle, Kunststoffe, Keramik usw.) verwendet werden. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften speziell auf biologisches, korrosionsbeständiges aus Titan basierendes Material (Ti 6Al 7Nb) deren Oberfläche mittels DND modifiziert wird. Ti6Al7Nb weist gute mechanische Festigkeit, Biokompatibilität, keine Zytotoxizität und Korrosionsbeständigkeit auf und besitzt daher eine breite Anwendung im biomedizinischen Bereich als Material für Implantate (osseo, dental, Koronarstents) und verschiedene Katheter. DND besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Härte und können auf verschiedener Weise mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen (-COOH, -OH und viele andere) für spezifische Anwendungen modifiziert werden. In-vivo Studien an Nanodiamanten haben dabei nachgewiesen, dass sie nicht toxisch sind und eine gute Biokompatibilität aufweisen. Somit ist deren Anwendung ausdrücklich erwünscht.

Materialien und Methoden:

Die Autoren verwenden eine elektrochemische Methode der anodischen Polarisation zur Immobilisierung und Einbau von DND in Titanoxidschichten. Erstens sind DND biochemisch mit O-Phosphorylethanolamin funktionalisiert, um eine Phosphat-Gruppe an diese einzubinden. Zudem wirken solche Phosphatgruppen als Anbindungsstellen für die gebildeten Titanoxidschichten. Adsorbierten Phosphatmodifizierten Nanodiamanten werden in den bildenden Oxidschichten durch anodische Polarisation eingebunden. Die erfolgreiche Oberflächenmodifikation von Ti6Al7Nb-Legierungsmaterial mit Nanodiamanten wurde mit Raster-und Transmissionselektronenmikroskopie-Untersuchungen bestätigt.

Ergebnisse und Diskussion:

Im Vergleich zu nicht modifizierten und oxidierten Ti6Al7Nb weist mit Nanodiamant modifizierte Ti6Al7Nb eine hohe Benetzbarkeit, einen niedrigen Kontaktwinkel und eine hohe Oberflächenenergie auf und ist folglich hydrophiler Natur, welches zu einer verbesserten Biokompatibilität solcher modifizierten Oberflächen führt. Modifizierte Oberflächen wurden mittels elektrochemische Impedanzspektroskopie charakterisiert, um die Korrosionsbeständigkeit zu bewerten. Kapazitives Verhalten und hohe Impedanzwerte, insbesondere bei niedrigeren Frequenzen deuten auf eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit des mit Nanodiamanten modifizierten Ti6Al7Nb -Legierungsmaterial. Laktat-Dehydrogenase (LDH) Messungen bewiesen, dass die modifizierten Oberflächen nicht toxisch sind. Die erhöhten Calcium- und Phosphat abgeschiedenen Mineralstoffgehalte deuten für solche modifizierten Oberflächen auf die Verbesserung der osteoinduktiven Eigenschaften.