Biomedizinische Materialien - Forschungsgebiete
Übersicht
1. Nanostrukturierung von Biomaterialoberflächen
Die extrazelluläre Matrix (EZM) macht einen großen Anteil des Körpergewebes aus. Sie besteht aus löslichen Faktoren, Proteoglykanen sowie nanoskaligen Proteinfasern. Die mechanischen Eigenschaften der EZM wie auch die Art und die Abstände von Liganden beeinflussen die Vitalität, das Wachstum und / oder auch die Funktion der in sie eingebetteten Zellen. Die Nachahmung der räumlichen Anordnung von Liganden kann für die Kontrolle des Verhaltens von Zellen auf Biomaterialien gezielt eingesetzt werden. Die Arbeitsgruppe Biomedizinische Materialien beschäftigt sich in Kooperation mit dem Interdisziplinärem Zentrum für Materialwissenschaften (IZM) am Institut für Physik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg mit dem Design geordneter Nanostrukturen und deren Funktionalisierung mit „self assembled monolayers“ und Biomolekülen auf Biomaterialien. Ziel ist es, nanostrukturierte Oberflächen zu generieren, über die Adhäsion, Wachstum und Differenzierung von Zellen gesteuert werden können. Die verwendeten lithographischen Methoden sind:
- Nanosphärenlithographie (NSL)
- Laserinterferenzlithographie (LIL)
- Elektronenstrahllithographie (ESL)
Nanostrukturierte Oberfläche
Wechselwirkung von Zellen mit Nanostrukturen (Schema)
2. Homogene und strukturierte biomimetische Beschichtungen
Ein Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix sind Proteoglykane und Glykosaminoglykane (GAG) wie z.B. die Hyaluronsäure, die durch ihre Ladung die Bindung von Ionen, Wasser und damit die Kompressionsstabilität von Geweben bewirken, sowie auch durch die spezifische Bindung von Adhäsionsproteinen und Cytokinen das Verhalten von Zellen stark beeinflussen. Deshalb sind GAG oder verwandte Polysaccharide wie z.B. Cellulosesulfate interessant für biogene und bioaktive Beschichtungen von Materialien auf den Gebieten der Implantate oder des Tissue Engineering. Ihre Bindung kann durch eine direkte kovalente Kopplung über Imid-, Thioether- u.a. -Bindungen homogen oder strukturiert durch Mikrokontaktdrucken und über physikalische Wechselwirkungen erfolgen. Die sogenannte Layer-by-Layer-Methode (LbL) nutzt hierfür vor allem elektrostatische Wechselwirkungen und Ionenpaarung und führt zur Generierung von nanostrukturierten Polyelektrolytmultischichten, deren Benetzbarkeit, Oberflächenladungsdichte, mechanische Eigenschaften und Bioaktivität durch die Wahl von GAG und Komplexierungsbedingungen wie z.B. pH-Wert eingestellt werden kann, was das Verhalten von Zellen gezielt hinsichtlich Wachstum und Differenzierung beeinflusst.
Polyelektrolyt-Multischicht aus Collagen I und Chondroitinsulfat
(Rasterkraftmikroskopie)
Mikrostrukturen von thioliertem Chondroitinsulfat auf vinylterminierter SAM