Synthese und Feingussstrukturierung bioaktiver Gläser und deren Einfluss auf die Wechselwirkung zwischen Implantatoberfläche und angrenzenden Zellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek; Professor Dr. Reinhard Conradt; Professor Dr.-Ing. Horst Fischer
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245108579

Es ist bekannt, dass Mikrostrukturen auf Implantatoberflächen die zelluläre Reaktion beeinflussen können. Auch bei bioaktivem Glas könnten daher durch eine Oberflächenstrukturierung zelluläre Prozesse gezielt gesteuert werden. Die etablierten Bearbeitungstechniken, insbesondere die Laserbearbeitung, sind zur Oberflächenstrukturierung von Glas ungeeignet, da das Material aufgrund des starken Wärmeeintrags unkontrolliert kristallisiert. Direkte Gussverfahren, hier vor allem der Präzisionsguss, eröffnen in diesem Kontext ganz neue Möglichkeiten.In der ersten Förderperiode ist es dem Forscherteam durch eine simulationsgestützte, sorgsame Abstimmung der Materialeigenschaften mit den Randbedingungen im Herstellungsprozess gelungen, bioaktive Gläser durch Präzisionsguss definiert und reproduzierbar zu mikrostrukturieren. Mit numerischen Tools konnten grundlegende Erkenntnisse zum Formfüllungsverhalten und zur Simulation des Abbildungsvermögens unter Berücksichtigung des komplexen Relaxationsverhaltens der Biogläser gewonnen werden. Die bisherigen In-Vitro-Untersuchungen in Körperersatzflüssigkeit zeigen, dass die Strukturen von der sich bildenden Apatitschicht nachempfunden werden, die Oberflächentopografie also erhalten bleibt. Es konnte zudem gezeigt werden, dass sich knochenbildende Zellen entlang der geordneten Mikrostrukturen ausrichten.In der nun folgenden zweiten Phase dieses Grundlagen-Forschungsprojektes werden die als zentral eruierten Einflussgrößen, die Viskosität, die Grenzflächenspannung zum Formmaterial, die Kristallisationskinetik und die Mechanismen des Wärmetransportes der bioaktiven Gläser, in Abhängigkeit der Temperaturführung im Detail studiert, um das Abbildungsverhalten der Gläser auf Mikroebene zu verstehen und in der Folge die Abbildungsgenauigkeit verbessern zu können. Der Schleuderguss soll zur Herstellung von Bioglas-Komponenten durch eine materialspezifische Prozessanpassung nutzbar gemacht werden. Hierzu werden Arbeiten im Bereich der Modellbildung und Simulation wichtige Hilfestellungen leisten. Die im ersten Forschungsabschnitt mitunter beobachtete Teilkristallisation der Mikrostrukturen soll nutzbar gemacht werden, um auch dadurch die Degradationskinetik gezielt steuern zu können. Das zelluläre Degradationsverhalten der mikrostrukturierten Bioglasoberflächen durch In-Vitro-Versuche mit Makrophagen und Osteoklasten-ähnlichen Zellen wird ergründet. Zudem wird der Einfluss der BioglasMikrostrukturen auf das Differenzierungsverhalten von humanen mesenchymalen Stammzellen im Detail erforscht. Mit den Erkenntnissen aus der zweiten Förderphase könnten im Fortgang Bioglas-Implantate gezielt mikrostrukturiert werden, die das Potenzial für eine schnellere und bessere Osseointegration aufweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen