Bioinspirierte Materialien

Simu­lierte Körper­flüssig­keiten (simulated body fluid, SBF), die den anor­ganischen Bestand­teil des mensch­lichen Blut­plasmas nach­bilden, werden für vitro Bio­aktivi­täts­tests einge­setzt. Darüber hinaus bietet ihr Einsatz die Möglich­keit, bio­mime­tischen Apatit, der in seiner Zusam­men­setzung, Morpho­logie und Wachstums­orien­tierung dem Apatit des Säuge­tier­knochens ent­spricht, nachzu­bilden. Getem­perte bio­mime­tische Apatite zeigen emit­tieren Licht (Photo­lumines­zenz) und erschei­nen deshalb von beson­derem Interesse für die visu­elle Dar­stel­lung von Knochen­umbau­prozes­sen. Modi­fi­zierte SBF Lösungen, bei denen Ionen­konzen­trationen und Über­sättigungs­grad erhöht wurden, werden ein­ge­setzt, um die Apatit­bildung zu beschleu­nigen und inner­halb weniger Stunden bio­aktive Beschich­tungen auf unter­schied­lichen Materialien herzu­stellen.

DOI: 10.1016/j.msec.2017.08.032Externer Link
DOI: 10.1111/jace.15736Externer Link

Die Synthese nano­kristal­liner, bio­aktiver bzw. resorbier­barer Calcium­phosphat­pulver, die durch nass-chemische Fällungs­reaktion herge­stellt werden, ist von beson­derem Interesse für der Her­stel­lung last­tragen­der ortho­pädischer Knochen­implantate. Ionen­substitu­tionen wurden mit dem Ziel durch­geführt, das Resorptions­verhalten der Werk­stoffe gezielt zu beein­flussen und so die Bio­akzep­tanz zu ver­bes­sern. Durch Vakuum­pulver­synthese konnten die mecha­nischen Eigen­schaften gesin­terter Form­körper signi­fikant gestei­gert werden. Bio­mime­tische Prozesse wurden genutzt, um carbonat­haltige HA Pulver mit knochen­spezi­fischer Zusam­men­setzung und Kristallit­größe her­zu­stellen. Sol-Gel-Verfahren wurden ver­wendet, um bioaktive Natrium­titanat-Keramiken bzw. SiO₂-CaO-Gläser her­zu­stel­len.

DOI: 10.3390/ma11020192Externer Link // DOI: 10.3390/ma11091610Externer Link

Calciumphosphatzemente (CPC) sind aufgrund ihrer Biokompatibilität und osteokonduktiven Eigenschaften ein vielversprechendes Material für die Regeneration von Knochengewebe insbesondere nach einer Tumorentfernung oder Zahnextraktion. Allerdings ist die Anwendung solcher CPC aufgrund ihrer inhärenten Sprödigkeit bisher auf nicht-lasttragende Knochenbereiche beschränkt. Aus diesem Grund haben wir uns mit der Herstellung eines schadenstoleranten CPC beschäftigt, bei dem die Einarbeitung von funktionalisierten Kohlenstofffasern im Schadensfall eine stabile, flache Rissausbreitung mit Rissöffnungen kleiner 10 µm ermöglicht. Ein anschließender Selbstheilungsprozess in simulierter Körperflüssigkeit (SBF), der die in vivo Mineralisierung bioaktiver Oberflächen in vitro nachahmt, schließt die Risse und stellt die mechanischen Eigenschaften vollständig wieder her. Dabei wurden zwei Wege der Selbstheilung untersucht: i) intrinsische Heilung, die auf den bioaktiven Eigenschaften der Zementmatrix und der chemisch behandelten C-Fasern basiert und so eine Nukleation von Apatit an den Rissflanken ermöglicht, und ii) extrinsische Selbstheilung, bei der aus polymeren Kapselsystemen, die durch einen fortschreitenden Riss geöffnet werden, H₂PO^4- als Initiator für die Apatitbildung freigesetzt wird und es durch lokale Übersättigung an PO₄^3--Ionen zu einer vollständigen Mineralisierung der Risse kommt. Die Selbstheilungkapazität der CPC bleibt dabei auch bei wiederholter Schädigung über mehrere Zyklen hinweg erhalten. Schadenstolerante, selbstheilende CPC sind von besonderem Interesse, um die Lebensdauer von Calciumphosphat-basierten Implantaten zu erhöhen und ihr Einsatzpotential auf lasttragende Bereiche zu erweitern.

DOI: 10.1038/s41598-020-66207-2Externer Link

Bakterien-Nanozellulose (BNC)

Cellu­lose, das welt­weit am häufig­sten vor­kom­mende, nach­wachsende Bio­polymer, wurde in Form von Langmuir-Blodgett Mono­layern, Fasern und Gewirken ver­wendet, um durch che­mische Vor­behand­lung bzw. durch Abschei­dung bio­aktiver Precursor­phasen wirk­stoff­beladene Scaffolds für die Knochen- und Knorpel­regenera­tion herzu­stellen. Über Koagu­lation bzw. Koex­trusion von Cellu­lose/ HA Sus­pen­sionen können bio­aktive, Hydroxyl­apatit gefüllte Cellu­lose­folien bzw. -fasern herge­stellt werden.

Photokatalytisch aktive Hybride aus Anatas Nanopartikeln (NP) und bakterieller Nanocellulose (BNC) wurden durch Disper­gierung der NP in Hestrin-Schramm-Medium hergestellt. An der Kontaktfläche zu Luft metabolisieren die Bakterien Glukose und produzieren Cellulose. Dabei integrieren sie die NP im entstehenden Hydrogelnetzwerk. Die antibakterielle Wirkung solcher Hybride konnte durch Methanolkonversion unter UV Bestrahlung nachgewiesen werden. Durch die in situ Integration funktioneller NP in BNC kann das Anwendungsspektrum dieses Hydrogelmaterials stark erweitert werden.

DOI: dx.doi.org/10.1021/la302787zExterner Link // DOI: 10.1039/C4RA09898FExterner Link