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Die bakterielle Besiedlung von Biowerkstoffen ist eine der Ursachen für Implantat-assoziierte Infektionen, wie z.B. Periimplantitis bei Dentalimplantaten. Die Biomaterialforschung ist daher bemüht, Oberflächen so zu funktionalisieren, dass die Adhäsion bzw. das Wachstum von Bakterien reduziert wird ohne die Kompatibilität für Zellen des regenerierenden Gewebes entscheidend zu verringern.

Ziel dieses Kooperations-Projektes ist es, geladene Moleküle, die sich gelöst im physiologischen Milieu als antibakteriell erwiesen haben oder die an der Oberfläche von Zellmembranen protein- und bakterienabweisende Funktionen erfüllen, an Modelloberflächen zu immobilisieren. Diese ionische Modifizierung erfolgt in Form von hochverzweigten dendrimeren Strukturen, die im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten monomolekularen Schichten die Immobilisierung einer größeren Anzahl an funktionellen Gruppen erlaubt und dadurch die Effektivität der Modifizierung erhöhen kann. Es ist ein weiteres Ziel des Projektes, mittels verschiedener in vitro- und in situ-Analytikmethoden zu überprüfen, ob durch die ionisierten Oberflächen die initiale Adhäsion oder die Vitalität von Bakterien unter Berücksichtigung konditionierender Proteinschichten aus Speichel reduziert werden kann.

SAM-COOH SAM-C-NH2
PAMAM

Weiterhin wird charakterisiert, inwieweit sich die ausgewählten Oberflächenmodifikationen auf die Adhäsion, Proliferation und Differenzierung von humanen Gewebszellen auswirken. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Materialoberfläche, konditionierender Proteinschicht und Zellen bzw. Bakterien kann dabei helfen, Biomaterialien oder Oberflächenfunktionalisierungen mit für den Anwendungsort optimierten Eigenschaften zu entwickeln.


Ergebnisse:

An SiO2-Modelloberflächen gekoppelte Amino- und Carboxyl-funktionelle Poly(amidoamine) (PAMAM) Dendrimere wurden  im Projekt eingehend physikochemisch charakterisiert. Es zeigte sich beispielsweise, dass dendrimere PAMAM-Oberflächen im Vergleich zu SAMs höherere Oberflächenenergien aufweisen. Bemerkenswert auch, dass PAMAM-COOH modifizierte Oberflächen in einem großen pH-Bereich trotz Carboxylierung eine positive Nettoladung entsprechend der analysierten Zeta-Potentiale aufweisen, was den Beitrag von tertiären Aminen im Dendrimer-Kern zur Nettoladung belegt.
In der Mundhöhle beeinflussen Proteinfilme (Pellikel), die sich auf Biomaterialien, z.B. Implantatoberflächen bilden, bakterielle Adhäsionen und Biofilmbildungen (dentale Plaque). Gemäß dem Ziel der Studie, Pellikelbildungen auf dPAMAMs und SAMs mittels akustischer Sensorik (Quarzkristallmikrowaaage) und Bicinchoninic Säure-Proteinassay vergleichend zu untersuchen und den Einfluss dieser Proteinkonditionierung auf die Adhäsion von S. gordonii DL1, einem oralen Frühbesiedler, zu charakterisieren, wurden folgende Ergebnisse erzielt. Im Vergleich zu identisch funktionalisierten SAM-Monolayern wurde die bakterielle Adhäsion auf unkonditionierten PAMAM-Oberflächen auf PEG-Level reduziert. PAMAM-NH2 Modifizierungen behielten ihre anti-adhäsive Funktion auch nach Speichel-Konditionierung. Kovalent gebundene PAMAM-Dendrimere modulieren daher die orale biologische Antwort, womit sich ein großes Entwicklungspotential für anti-adhäsive Modifizierungen von Biomaterialoberflächen, die mit Proteinfilmen konditioniert sind, ergibt.

Publikationen:

  1. Müller R, Katzur V, Eichler M, Rupp F, Geis-Gerstorfer J, Schweikl H, Schmalz G: A systematic investigation of physicochemical surface parameters influencing the adsorption of saliva proteins and the adherence of oral bacteria. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien, 20. bis 22. November 2008 in Hamburg. BIOmaterialien 2008; 9: 203-204.
  2. Katzur V, Eidt A, Eichler M, Hiller KA, Rupp F, Schmalz G, Ruhl S, Müller R: Adhesion of Streptococcus gordonii to positively and negatively charged self-assembled monolayers. 3rd International Symposium on Interface Biology of Implants (IBI), 13. bis 15. Mai 2009 in Rostock-Warnemünde. BIOmaterialien, 10 (S1):76.
  3. Eichler M, Katzur V, Hiller KA, Schmalz G, Müller R, Geis-Gerstorfer J, Schweikl H, Rupp F: Hydrophilicity of self-assembled monolayers on implant surfaces for biofilm control. Jahrestagung der Continental European Division of the International Association of Dental Research (CED-IADR), 10. bis 12. September 2009, München.
  4. Katzur V, Ruhl S, Hiller KA, Schweikl H, Schmalz G, Eichler M, Geis-Gerstorfer J, Rupp F, Müller R: Surface-functional groups of model substrates as determinants for protein adsorption.Jahrestagung der Continental European Division of the International Association of Dental Research (CED-IADR), 10. bis 12. September 2009, München.
  5. Katzur V, Eichler M, Deigele E, Stage C, Karageorgiev P, Geis-Gerstorfer J, Schmalz G, Ruhl S, Rupp F, Müller R: Physicochemical properties of silicon surfaces functionalised with amine or carboxyl group-terminated polyamidoamine dendrimers and comparison with corresponding alkylsilane monomer coatings. J Colloid Interface Sci 2011;[submitted].
  6. Eichler M, Katzur V, Scheideler L, Haupt M, Geis-Gerstorfer J, Schmalz G, Ruhl S, Rainer Müller R, Rupp F: Impact of dendrimer-grafted surface modifications on the oral biological response. [Manuscript prepared]

Förderung: DFG: RU 920/2-2, MU 2787/1-2, RU 409/9-1, SCHW 431/12-2).

Kooperationspartner:

  • Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Sektion Medizinische Werkstoffkunde & Technologie, Universitätsklinikum Tübingen (Rupp)
  • Lehrstuhl für Physikalische Chemie, Universität Regensburg (Müller)
  • Lehrstuhl für Zahnerhaltung und Parodontologie, Universität Regensburg (Schweikl)
  • Department of Oral Biology, State University of New York at Buffalo, NY, USA (Ruhl)