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| So
lagern sich Zellen auf der strukturierten Oberfläche
an. |
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| Damit
sich der menschliche Körper mit einem Implantat
«anfreundet», sollte der Fremdkörper eine
Oberfläche besitzen, die von (künftigen) Nachbarzellen
gerne besiedelt wird. Osteoblasten, also Zellen, die für die
Knochenbildung verantwortlich sind, müssen sich auf einem
künstlichen Hüftgelenk anlagern können, um neue
Knochensubstanz zu bilden und dadurch das Implantat fest im Knochen
zu verankern. Wie auch andere Forschergruppen arbeiten
Empa-Forschende daran, mikrostrukturierte Implantatoberflächen
zu entwickeln, die den Knochenzellen optimale Wachstumsbedingungen
bieten. Arie Bruinink, Zellbiologe in der Abteilung
«Materials-Biology Interactions», erklärt:
«Wir haben unter anderem gesehen, dass eine
Oberflächenstruktur mit ungefähr zellgrossen Noppen die
Zellen in ihrer Form und Anhaftung stark beeinflusst.» |
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| Wie
Zellen auf verschiedene Modelloberflächen reagieren,
können die Forscher unter anderem mit dem konfokalen
Laserscanmikroskop beobachten: Nachdem sie Knochenmarkzellen auf
einer Metallprobe mit genoppter Oberfläche ausgesät
hatten, hafteten die Zellen auf dem Material, bildeten ihr Zell-
oder Zytoskelett aus und passten ihre Form der
Oberflächenstruktur an. Auf einer Oberfläche mit Noppen
mit einem Durchmesser von 30 beziehungsweise 50 Mikrometer und
einem Abstand von 20 Mikrometer spannen sich die Zellen zwischen
den Noppen auf und sind nicht mehr so flach, wie sie sich
normalerweise in einer Kulturschale präsentieren. Dies sei ein
sehr auffälliges Verhalten, dessen Auswirkungen auf die
Zelldifferenzierung weiter untersucht werden sollten, meint
Bruinink. |
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Porenfrei sauber – und erst noch
günstig
Um Implantate auf innovative Weise herzustellen, entwickelten die
Materialforscher vom Bremer Fraunhofer-Institut für
Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) mit Hilfe
der zellbiologischen Experten der Empa ein
Metallpulver-Spritzgiessverfahren (MIM, für «Metal
Injection Moulding»). Mit diesem lässt sich das
Implantat samt seiner mikrostrukturierten, biokompatiblen
Oberfläche in «einem Guss» fertigen. Ziel des von
der Volkswagen-Stiftung finanzierten Projekts seien
Oberflächen gewesen, so Bruinink, die sich
(sub-)mikrometergenau strukturieren lassen – was in dieser
Präzision bislang kaum möglich gewesen sei; derartige
Strukturen liessen sich nur mit enormem Aufwand und entsprechenden
hohen Kosten fabrizieren. Wichtig sei ausserdem, dass sich
während der Herstellung des Implantats an der Oberfläche
keine unerwünschten Poren bilden, in denen sich Keime
verbergen können. Diese können Infektionen und chronische
Entzündungen auslösen – mit der Folge, dass das
Implantat wieder entfernt werden muss. Mit der neuen MIM-Methode
sei es nun gelungen, eine präzis strukturierte, porenfreie
Oberfläche einfach und kostengünstig herzustellen, sagt
Bruinink. |
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Die Empa Forschenden Arie Bruinink und Magdalena
Obarzanek-Fojt bei der Arbeit: Auf Bildschirmen
überprüfen die beiden, wie gut sich die Zellen auf der
Oberfläche des Prüfkörper ausgebreitet
haben.
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Eine patente Methode – nicht nur für den
Medtech-Bereich
Die inzwischen patentierte Methode eignet sich nicht nur
für Werkstoffe im Medtech-Bereich. Die herausragenden
mechanischen Eigenschaften des Materials – hohe Dichte und
nanostrukturierter Aufbau – sind auch für andere
Anwendungen interessant. Daher könnte das Verfahren
überall eingesetzt werden, wo Material mit grösserer
Festigkeit und Härte gefragt ist, etwa bei Zahnrädern und
Schiffsschrauben. |
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| Was
interessiert die Zellbiologen um Arie Bruinink nun als
Nächstes? Sie möchten den zellulären
«Wettbewerb» auf der Implantatoberfläche besser
verstehen – und dadurch steuern, um das Implantat mit den
«passenden» Zellen (und nur mit diesen) zu verbinden.
Denn wenn ein Implantat im Patienten eingesetzt wird,
«streiten» verschiedenste Zellarten auf der
Oberfläche um Platz. Der Zelltypus, der die Oberhand gewinnt,
bestimmt, welche Art von Gewebe auf dem Implantat schlussendlich
entsteht. «Es gibt klare Hinweise», so Bruinink,
«dass Osteoblasten und Bindegewebszellen unterschiedliche
Oberflächen bevorzugen.» Die Forschenden wollen deshalb
herausfinden, wie die Zellen durch die angebotenen Oberflächen
gezielt in ihrem Wachstum beeinflusst werden können. In
Zukunft soll es dadurch möglich sein, biokompatible Implantate
herzustellen, deren Oberfläche einen bestimmten Zelltyp zum
Anhaften einladen, andere dagegen auf Distanz halten. |
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