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Hierarchisch strukturierte antibakterielle Implantatoberflächen
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Veröffentlicht: | 6. November 2018 |
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Fragestellung: Implantat-assoziierte Infektionen können zu schwerwiegenden klinischen Problemen führen. Die initiale bakterielle Adhärenz kann dabei zur therapieresistenten Biofilmbildung auf Implantaten führen. Auch aufgrund steigender Antibiotikaresistenzen besteht der Bedarf an innovativen Implantatoberflächen, die sowohl antibakterielle Eigenschaften als auch biokompatibel sind. Diese können durch eine gezielte topographische oder chemische Oberflächenmodifikation generiert werden. Eine Möglichkeit der topographischen Modifizierung sind periodisch angeordnete nadelförmige Nanostrukturen, die sich beispielsweise auf den Flügeln von Zikaden befinden. Diese können durch ihre besondere Geometrie eine mechanische Zellwandschädigung bei Bakterien induzieren. Im Rahmen dieser Studie wurden Nanostrukturen, die strukturell ähnlich zu denen auf den Flügeln von Zikaden sind, auf klinisch relevanten, hoch mikrostrukturierten Titan-Plasmaspray (TPS) zusätzlich aufgebracht und bezüglich antibakterieller Eigenschaft und Gewebszell-Adhärenz analysiert.
Methodik: Als Substratmaterial dienen TiAl6V4 Zylinder, deren Oberfläche mittels Titan-Plasmaspray mikrostrukturiert wurde (Ra= 45 ± 15 µm). Mittels Glanzwinkelkathodenzerstäubung (GLAD) wurden Ti-Nanostrukturen (Höhe = 450 nm) auf diesen mikrostrukturierten Implantatoberflächen erzeugt. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurden die resultierenden hierarchischen Strukturen charakterisiert. Die antibakterielle Wirkung der mikrostrukturierten Referenzproben und der hierarchisch strukturierten Proben wurde gegenüber E. coli und S. aureus getestet. Die Zellbiokompatibilität wurde durch Analyse der Zelladhärenz und Viabilität von humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) durch Anfärbung der Zellkerne mittel Hoechst ausgewertet.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Spitze Ti-Nanostrukturen wurden erfolgreich auf klinisch relevante Implantatoberflächen übertragen. Es gelang durch die GLAD-Methode die Nanostrukturen homogen auf der stark mikrostrukturell zerklüfteten TPS-Oberfläche zu generieren. Danach konnte ein deutlicher mechanischer antibakterieller Effekt gegenüber gram-negativen E. coli Bakterien festgestellt werden. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die hierarchisch strukturierten Oberflächen auch in gewissem Maße antibakteriell gegen gram-positive S. aureus Bakterien wirken. Die Adhärenz der hMSCs auf den hierarchisch nano-mikro-strukturierten Proben war im Vergleich zu den nur mikrostrukturierten Implantatoberflächen nicht verändert.
Diese Studie belegt den erfolgreichen biomimetischen Transfer von mechanisch aktiven antibakteriellen Nanostrukturen auch auf klinisch relevante topographisch hochkomplexe Implantatoberflächen.