BioHyB: Biohybride antibakterielle Beschichtung von oberflächenmodifizierten Zahnimplantaten aus Titan zur Verhinderung bakterieller Infektionen

 

Periimplantäre Infektionen als eine Implikation von Implantationen stellen ein hohes Risiko für die Gesundheit von Menschen dar. Dabei sind zahnmedizinische Implantate bspw. aus Titan (Ti) zum dauerhaften Ersatz für fehlende Zähne in der modernen Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Sie übernehmen die Funktion natürlicher Zahnwurzeln und bilden die Grundlage für die Verankerung der künstlichen Zahnkronen im Kiefer. Entzündungen des Zahnfleisches nahe des Implantats (periimplantäre Infektion) zählen zu den häufigsten Komplikationen nach der Implantation. Diese sind hauptsächlich auf bakterielle Kontaminationen bzw. Bakterienansiedlung am Implantat zurückzuführen. Neben den Zahnfleischentzündungen führt eine schlechte Osseointegration zu postoperativen Komplikationen. Um die Osseointegration durch Vergrößerung der Oberfläche zu beschleunigen, können auf den Implantaten poröse bzw. schwammartige Oberflächen mittels Plasma-Elektrolyt-Oxidation (PEO) erzeugt werden. Diese Vergrößerung begünstigt jedoch auch die Besiedlung der Implantatoberfläche mit Bakterien, wodurch das Risiko für periimplantäre Infektionen erhöht wird. Daher steigt der Druck Lösungen für funktionalisierte Implantate zu entwickeln, welche durch eine funktionalisierte Oberfläche sowohl eine Osseointegration fördern als auch Entzündungsreaktionen aktiv vermeiden, und somit postoperative Komplikationen reduzieren.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Implantatoberflächen (am Beispiel von Titan-Zahnimplantaten) mit einer innovativen antibakteriellen biohybriden Beschichtung in Kombination mit einer Mikrostrukturierung zu versehen, welche die Ansiedlung von Bakterien verhindert. Dabei zielt der Einsatz der Mikrostrukturierung darauf ab, die Resistenz der Beschichtung gegenüber externen Einflüssen wie abrasivem Verschleiß zu erhöhen, um die Lebensdauer der Beschichtung zu steigern und somit ihre Funktionalität möglichst langfristig zu gewährleisten.

Um das übergeordnete Ziel dieses interdisziplinären Projekts zu erreichen, werden Technologien aus der Biotechnologie wie das Protein Engineering, der makromolekularen Chemie und Oberflächenchemie/-physik sowie hochentwickelter Produktionstechnik in Kombination mit dem Know-how der Meotec GmbH sowie der Aachener Proteineers zusammengeführt. Das Projekt ist in vier Arbeitspakete (AP) unterteilt. AP1 umfasst die Identifikation, Entwicklung und Parametrisierung von Fertigungstechnologien zur Erzeugung von geeigneten Oberflächenstrukturen zum Schutz der bioaktiven Funktion einer aufzubringenden antibakteriellen Beschichtung und die Kombination dieser Technologien mit den PEO-Beschichtungen zur Verbesserung der Osseointegration. In AP2 wird der bioaktive Baustein zur Erzeugung der antibakteriellen Beschichtung entwickelt. Die Herausforderung besteht darin, intelligente hybride Makromoleküle zu entwickeln, die auf molekularer Ebene so programmiert sind, dass sie einerseits aktiv die Ti-Oberfläche ansteuern, adsorbieren und eine nanoskalige Beschichtung erzeugen, und andererseits die Biokompatibilität verleiht, Fouling verhindert und pathogene Bakterien abtötet. In AP3 wird die Bewertung und Optimierung der biologischen Wirksamkeit der Beschichtung unter optimalen Bedingungen durchgeführt. In AP4 wird die Beschichtung auf die strukturierten Bauteile aufgebracht, validiert und in einem finalen Demonstrator (Ti-Zahnimplantat) zusammengeführt.

Das Projekt BioHyB ist ein Leuchtturmprojekt für die Produktion von langlebigen, innovativen, oberflächenfunktionalisierten Produkten. Die Integration biohybrider, anwendungsspezifisch maßgeschneiderter, funktionaler Materialien auf strukturierte Produktoberflächen wird es zukünftig ermöglichen, schwer zu beherrschende Interfaces zwischen bspw. biologischen und technischen Komponenten für spezifische Anwendungen kontrollierbarer, sicherer und nachhaltiger zu gestalten.