Entwicklung von auf nanoporösen Silica-Nanopartikeln basierenden Implantat-assoziierten Freisetzungssystemen für Wachstumsfaktoren

Abstract

Von genetischen Defekten und infektiösen Erkrankungen bis hin zu Alter und Umwelteinflüssen können verschiedene Ursachen den Einsatz von Implantaten erforderlich machen. Durch eine Implantation erhoffen sich betroffene Patienten eine Verbesserung der Lebensqualität, indem die ausgefallene Körperfunktion bestmöglich ersetzt wird. Somit ist die stetige Weiterentwicklung und Optimierung von Implantaten von großer Bedeutung. Diese kann beispielsweise durch die Entwicklung von neuen potentiellen Implantatmaterialien oder durch die Funktionalisierung der Implantatoberflächen - auf physikalischem, chemischem, biochemischem oder biologischem Weg - erfolgen. Im Fokus der vorliegenden Dissertation steht die biochemische Funktionalisierung von Implantaten, indem Implantat-assoziierte Freisetzungssysteme auf Basis von nanoporösen Silica-Nanopartikeln (NPSNPs) für die Wachstumsfaktoren brain-derived neurotrophic factor (BDNF) und transforming growth factor-β3 (TGF-β3) entwickelt werden. Ihre Anwendung sollen die zu entwickelnden Freisetzungssysteme auf der Oberfläche der Cochlea-Elektrode (BDNF) bzw. auf einem gradierten Implantat (TGF-β3) für die Regeneration des Sehnen-Knochen-Übergangs finden. Die durch eine Tensid-gesteuerte Synthese hergestellten NPSNPs wurden an ihrer Oberfläche mittels der post-grafting-Methode mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen ausgestattet, um die Immobilisierungsmenge und die Freisetzung der Wachstumsfaktoren gezielt zu steuern. Aufgrund der großen Oberfläche konnte die gesamte eingesetzte Menge des jeweiligen Proteins unabhängig von der Modifizierung auf der Oberfläche der Nanopartikel immobilisiert werden. Bei den Freisetzungsexperimenten ließen sich dagegen, in Abhängigkeit von der Modifizierung, unterschiedliche Freisetzungskinetiken beobachten. Vor allem hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Wachstumsfaktoren und der Nanopartikeloberfläche begünstigten eine kontinuierliche und langfristige Freisetzung. Neben den Wechselwirkungen hatte die unterschiedliche Stabilität der Proteine über den Freisetzungsverlauf einen entscheidenden Einfluss auf die freigesetzte Menge an aktivem Wachstumsfaktor. In Hinblick auf die angestrebten Anwendungen lieferten in vitro-Untersuchungen der beiden Freisetzungssysteme vielversprechende Ergebnisse. Die aus amino-modifizierten NPSNPs freigesetzten BDNF-Mengen übten einen starken neuroprotektiven und einen geringen neuroregenerativen Effekt auf die Spiralganglienneurone aus. Auch konnten die aus un- und amino-modifizierten NPSNPs freigesetzten TGF-β3-Mengen die chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen anregen; in geringerem Maße galt dies auch für die aus Fasermatten aus Polycaprolacton freigesetzten TGF-β3-Mengen; diese Fasermatten waren zuvor mit TGF-β3-beladenen NPSNPs funktionalisiert worden. Somit wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Freisetzungssysteme explizit für die gewünschten Anforderungen entwickelt und zusätzlich ein generelles Wissen bezüglich der Verwendung der NPSNPs als Freisetzungssysteme für Wachstumsfaktoren generiert.