Einfluss von elektrischen Feldern auf nanotubulären TiO2-Schichten auf die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen

• Antragsteller: Dr. Jung Park; Professor Dr. Patrik Schmuki
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257236827

In der vergangenen Förderperiode dieses Projekts haben wir die Induktion einer osteogenen Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) durch langfristig angelegte Gleichstrom-elektrische Felder (EF) auf nanotubulären TiO2-Oberflächen demonstriert. Wir konnten wesentliche Teile der EF-induzierten Osteogenese aufklären: Es fand sich eine längerfristige Kalziumerhöhung, die sich über ausbildende Gap-Junctions ausbreitet und ATP in der Signalkaskade enthält. Der vorliegende Verlängerungsantrag hat das Ziel, basierend auf diesem Mechanismus ein verbessertes kurzfristiges Wechselstrom-EF-System mit minimaler Dauer und Stärke der EF-Anwendung zu entwickeln, das in vivo für die knöcherne Einheilung von TiO2-Implantaten einsetzbar ist. Um ein EF-Biosystem herzustellen, das die osteogene Differenzierung von MSC durch kurzfristige Wechselstrom-EF-Anwendung beschleunigt, werden wir 1) das in vitro Wechselstrom-EF-System für die MSC-Differenzierung optimieren, 2) das liposomale Herkunftssystem der EF-abhängigen Zielmoleküle (Ca2+, ATP und Gap-Junction-Agonisten) aus nanotubulären TiO2-Schichten durch kurzfristige EF entwickeln, 3) Nanoröhrenstrukturen / Eigenschaften für verbesserte Speicherkapazität und verbesserte elektrische Leitfähigkeit von TiO2 nanotubulären Schichten entwickeln, um die effiziente Zielmolekülabgabe zu ermöglichen, und 4) das kurzfristige EF-System mit Zielmolekülen auf ex vivo peri-implantäre Knochendefekt-Explantate zur Verifizierung der Zielmolekülverteilung und der frühen Reaktion von explantiertem Gewebe auf EF anwenden. Die Informationen, die wir aus diesen Untersuchungen gewinnen, sollen dazu beitragen, die Rolle von elektrischen Feldern und Oberflächenstrukturen in der Osteogenese detaillierter zu verstehen und eine neue Generation von hoch biokompatiblen Implantatoberflächen für die orthopädische und dentale Geweberekonstruktion zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen