Verbesserung der Biokompatibilität metallischer Implantate durch kovalente Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	6 July 2003
Referee:	Klaus (Prof. Dr.) Heckmann
Date of exam:	26 June 2003
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Keywords:	Kollagen , Biomaterial , Biokompatibilität , Implantat , Titan , Tantal , Edelstahl , , biomaterial , collagen , implant , titanium , tantalum
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10102

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Biokompatibilität von metallischen Implantaten durch die kovalente Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Als metallische Substrate wurden Reintitan, Ti6Al4V, Ti6Al7Nb und tantalbeschichteter Edelstahl verwendet. Als Beschichtungsmaterial diente fibrilläres und lösliches Typ I Kollagen. Die Biologisierung sollte durch eine optimierte oxidative ...

Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Biokompatibilität von metallischen Implantaten durch die kovalente Anbindung einer quervernetzten Kollagenschicht. Als metallische Substrate wurden Reintitan, Ti6Al4V, Ti6Al7Nb und tantalbeschichteter Edelstahl verwendet. Als Beschichtungsmaterial diente fibrilläres und lösliches Typ I Kollagen. Die Biologisierung sollte durch eine optimierte oxidative Vorbehandlung der Oberflächen, die Anbindung von Silanhaftvermittlern und die kovalente Immobilisierung von bioaktivem Kollagen mit anschließender Quervernetzung erreicht werden. Die Anbindung der Haftvermittler konnte durch IR-Spektroskopie, XPS und einen kolorimetrischen Assay qualitativ und quantitativ nachgewiesen werden. Ein Einfluss der oxidativen Vorbehandlung auf die Anbindung wurde festgestellt. Durch die Quervernetzung von Kollagen mit einem wasserlöslichen Carbodiimid (EDC) konnte eine stark verbesserte Stabilität gegenüber enzymatischer Degradation erreicht werden, ohne daß negative Auswirkungen auf das zelluläre Verhalten von mesenchymalen Stammzellen auftraten. Die kovalente Bindung zwischen Protein und Implantatoberfläche konnte mit Hilfe des Enzyms Peroxidase entwickelt und bewiesen werden und wurde auf die Anbindung von Kollagen übertragen. Kovalent gebundenes Kollagen zeigte im Vergleich zu rein adsorptiv gebundenen Schichten eine verbesserte enzymatische und mechanische Stabilität. Eine verbesserte Biokompatibilität, angezeigt durch eine erhöhte Zellproliferation, konnte eindeutig durch die Immobilisierung von fibrillärem Kollagen auf tantalisierten Stahloberflächen nachgewiesen werden. Allerdings ergaben sich hier vergleichbare Ergebnisse für kovalent und adsorptiv beschichtete Implantatoberflächen. Gerade wegen der vielversprechenden Ergebnisse der auf Metalloberflächen durchgeführten Kollagenaseversuche und der mechanischen Tests könnten an dieser Stelle längerfristige in vitro- und in vivo Untersuchungen den eindeutigen Vorteil der kovalenten Anbindung noch bestätigen.

Translation of the abstract (English)

The aim of this work was the improvement of the biocompatiblity of metallic implants by the covalent attachment of crosslinked collagen. As metallic substrates cp-titanium, Ti6Al4V, Ti6Al7Nb and tantalum coated stainless steel were used. Fibrillar and acid soluble type I collagen was used for the protein coating. The bioactivation should have been achieved by an optimized oxidative pretreatment, ...

Translation of the abstract (English)

The aim of this work was the improvement of the biocompatiblity of metallic implants by the covalent attachment of crosslinked collagen. As metallic substrates cp-titanium, Ti6Al4V, Ti6Al7Nb and tantalum coated stainless steel were used. Fibrillar and acid soluble type I collagen was used for the protein coating. The bioactivation should have been achieved by an optimized oxidative pretreatment, the functionalization of the surface using silane coupling agents, the covalent attachment of collagen and the chemical crosslinking of the protein layer.
The attachment of the silane coupling agent was determined qualitatively and quantitatively using XPS, IR-spectroscopy and a colorimetric assay. An influence of the oxidative pretreatment to the linking of the coupling agent was detected. The crosslinking of collagen using a water soluble carbodiimide (EDC) led to a highly increased stability against enzymatic degradation but did not negatively affect the cellular behavior of human mesenchymalic stem cells. The covalent coupling of metallic substrate and protein was developed and demonstrated using horseradish peroxidase and transferred to collagen. In comparison to adsorptively bound collagen layers covalently linked coatings exhibited an improved enzymatic and mechanical stability. A certain improvement of biocompatibity indicated by an increased cellular proliferation was demonstrated on tantalum coated stainless steel surfaces after coating with fibrillar collagen. No differences between covalent and adsorptiv attachment have been found, though. Considering the promising results in the mechanical and enzymatic stability additional long-term in vitro and in vivo testing could state further advantages of covalently bound collagen on metallic implant surfaces.

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