Titanbeschichtung mit Protein-"Blumenbouquet"-Nanoclustern stärkt die Implantatbefestigung

Titanbeschichtung mit Protein-"Blumenbouquet"-Nanoclustern stärkt die Implantatbefestigung
Titanbeschichtung mit Protein-"Blumenbouquet"-Nanoclustern stärkt die Implantatbefestigung
Anonim

Forscher haben eine verbesserte Beschichtungstechnik entwickelt, die die Verbindung zwischen Gelenkersatzimplantaten aus Titan und patienteneigenem Knochen verstärken könnte. Die stärkere Verbindung – die durch die Manipulation von Signalen entsteht, die die körpereigenen Zellen verwenden, um das Wachstum zu fördern – könnte dazu führen, dass die Implantate länger h alten.

Implantate, die mit "Blumenstrauß"-Clustern eines konstruierten Proteins beschichtet sind, das das körpereigene Zelladhäsionsmaterial Fibronectin nachahmt, hatten 50 Prozent mehr Kontakt mit dem umgebenden Knochen als Implantate, die mit Proteinpaaren oder einzelnen Strängen beschichtet waren.Die clusterbeschichteten Implantate fixierten mehr als doppelt so sicher wie Plugs aus unbehandeltem Titan – so werden heute Gelenke befestigt.

Forscher glauben, dass das biologisch inspirierte Material das Knochenwachstum um das Implantat herum verbessert und die Befestigung und Integration des Implantats am Knochen stärkt. Diese Arbeit zeigt auch zum ersten Mal, dass Biomaterialien, die biologische Sequenzen darstellen, die im Nanomaßstab geclustert sind, die Zelladhäsionssignale verstärken. Diese verstärkten Signale führen zu einer stärkeren Knochenzelldifferenzierung in menschlichen Stammzellen und fördern eine bessere Integration von Implantaten aus Biomaterial in den Knochen.

"Durch das Zusammenfügen der konstruierten Fibronektinstücke konnten wir ein verstärktes Signal erzeugen, um Integrine anzuziehen, Rezeptoren, die an das Fibronektin binden und die Knochenbildung um das Implantat herum lenken und verstärken", sagte Andrés García, Professor in Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering und das Petit Institute for Bioengineering and Bioscience.

Einzelheiten über die neue Beschichtung wurden in der Ausgabe vom 18. August der Zeitschrift Science Translational Medicine berichtet. Die Forschung wurde von den National Institutes of He alth, der Arthritis Foundation und dem Atlanta Clinical and Translational Science Institute über das Georgia Tech/Emory Center for the Engineering of Living Tissues unterstützt.

Knie- und Hüftprothesen h alten in der Regel etwa 15 Jahre, bis sich die Komponenten abnutzen oder lockern. Für viele jüngere Patienten bedeutet dies eine zweite Operation, um das erste künstliche Gelenk zu ersetzen. Da etwa 40 Prozent der 712.000 totalen Hüft- und Kniegelenkersatzoperationen in den Vereinigten Staaten im Jahr 2004 bei jüngeren Patienten im Alter von 45 bis 64 Jahren durchgeführt wurden, wird die Verlängerung der Lebensdauer der Titangelenke und die Schaffung einer besseren Verbindung mit dem Knochen äußerst wichtig.

In dieser Studie beschichteten David Collard, Professor an der Georgia Tech School of Chemistry and Biochemistry, und seine Studenten Titan in klinischer Qualität mit einer hohen Dichte an Polymersträngen – ähnlich den Borsten einer Zahnbürste.Dann modifizierten García und Tim Petrie – ehemals Doktorand an der Georgia Tech und derzeit Postdoktorand an der University of Washington – das Polymer, um drei oder fünf selbstorganisierte, aneinander gebundene Cluster des manipulierten Fibronektins zu erzeugen, die das Arginin-Glycin- Asparaginsäure (RGD)-Sequenz, an die Integrine binden.

Um die In-vivo-Leistung des beschichteten Titans bei der Knochenheilung zu bewerten, bohrten die Forscher kreisförmige zwei Millimeter große Löcher in den Schienbeinknochen einer Ratte und drückten winzige Titanzylinder in klinischer Qualität in die Löcher. Das Forschungsteam testete Beschichtungen, die einzelne Stränge, Paare, dreisträngige Cluster und fünfsträngige Cluster des konstruierten Fibronectin-Proteins enthielten.

"Um die Funktion dieser Oberflächen bei der Förderung des Knochenwachstums zu untersuchen, haben wir die Osseointegration oder das Knochenwachstum um das Implantat und die Stärke der Befestigung des Implantats am Knochen quantifiziert", erklärte García, der ebenfalls ein Woodruff Faculty Fellow an der Georgia Tech.

Die Analyse der Knochen-Implantat-Grenzfläche vier Wochen später ergab eine 50-prozentige Verbesserung des Kontakts zwischen Knochen und Implantaten, die mit drei- oder fünfsträngigen, angebundenen Clustern beschichtet waren, im Vergleich zu Implantaten, die mit Einzelsträngen beschichtet waren. Die Experimente zeigten auch eine 75-prozentige Steigerung des Kontakts der drei- und fünfsträngigen Cluster im Vergleich zum aktuellen klinischen Standard für Gelenkersatzimplantate, bei dem es sich um unbeschichtetes Titan handelt.

Die Forscher testeten auch die Fixierung der Implantate, indem sie die Kraft maßen, die erforderlich war, um die Implantate aus dem Knochen zu ziehen. Implantate, die mit drei- und fünfsträngigen angebundenen Clustern des konstruierten Fibronektinfragments beschichtet waren, zeigten eine um 250 Prozent höhere mechanische Fixierung gegenüber den Beschichtungen mit einzelnen Strängen und Paaren und eine 400-prozentige Verbesserung im Vergleich zur unmodifizierten Polymerbeschichtung. Die Drei- und Fünf-Cluster-Beschichtungen zeigten auch eine zweifache Verbesserung der Auszugsfestigkeit im Vergleich zu unbeschichtetem Titan.

Die Bioingenieur-Studenten Ted Lee und David Dumbauld von Georgia Tech, die Chemie-Studenten Subodh Jagtap und Jenny Raynor sowie die Forschungstechnikerin Kellie Templeman trugen ebenfalls zu dieser Studie bei.

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