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Projektleiter:
Prof. Dr. Michael Gelinsky

Laufzeit:
10/2013-01/2015

Projektbeschreibung:
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Modifizierung von Calciumphosphat-Keramiken mit verschiedenen Metallionen (Co2+, Cu2+, Ni2+ etc.) zur Stimulation biologischer Prozesse, etwa der Angiogenese als Voraussetzung zur knöchernen Einheilung von Implantaten sowie der Osteoklastenaktivität zur schnelleren Resorption der Werkstoffe in vivo. Als Keramiken werden poröse Materialien aus calciumdefizitärem Hydroxylapatit bzw. Calciumhydrogenphosphat Dihydrat (Bruschit) verwendet, die durch eine Zementabbindereaktion von - oder ß-Tricalcium¬phos¬phat mit wässriger Lösung bzw. verdünnter Phosphorsäure erhalten werden. Die Herstellung von Modellstrukturen erfolgt entweder durch Verarbeitung des Materials als Zementpaste in Silikonformen für einfache Geometrien mit relativ geringer Porosität der Matrix (für Osteoklasten-Experimente) oder durch 3D-Pulverdruck zur Herstellung geometrisch anspruchsvoller, makroporöser Strukturen zum Studium der Angiogenese in definierten Porensystemen. Die Beladung der Keramiken mit Metallionen wird einerseits durch Zusinterung in die TCP-Komponente des Zements erreicht bzw. nach Aushärtung des Zements adsorptiv durchgeführt. In vitro-Untersuchungen zur Resorption erfolgen mit aus humanen Monozyten durch Zugabe der Differenzierungsfaktoren MCSF und RANK-L gewonnenen Osteoklasten, deren Differenzierung über die Aktivität der osteoklastenspezifischen Enzyme TRAP (tartratabhängige saure Phosphatase) und Carboanhydrase II quantifiziert wird. Die angiogene Potenz der mit Metallionen modifizierten Zemente wird mit Hilfe von in Kollagen/Fibrin-Gelen kultivierten humanen Endothelzellen (EC) untersucht, deren Adhäsion, Proliferation und Ausbildung tubulärer Strukturen mikroskopisch studiert wird. Um die Wirkung der Metallionen auf EC bzw. die Angiogenese besser verstehen zu können, wird zusätzlich die Expression verschiedener, in den angiogenen Prozess involvierter Gene bzw. Proteine untersucht. Abschließend wird die osteoklastäre Resorption und die Vaskularisierung der Materialien im Kleintiermodell in vivo beurteilt, wobei Resorptionsstudien orthotop in der Rattentibia erfolgen und die Angiogenese im Subkutangewebe der Ratte quantifiziert wird.

English Summary:
The aim of the research project is the modification of calcium phosphate ceramics with different metal ions (Co2+, Cu2+, Ni2+ etc.) for the stimulation of biological processes, e.g. the angiogenesis as a precondition for bony ingrowth of implants and the osteoclast activity for promoted in vivo resorption of the materials. Applied porous ceramic materials are made from calcium deficient hydroxyapatite respectively calcium hydrogen phosphate (brushite), which are obtained from cement setting reactions of - or -tricalcium phosphate in aqueous solution respectively diluted phosphoric acid. The fabrication of model structures occurs either by manufacturing of the materials as cement paste in silicone moulds for simple geometries with relatively low porosities (for experiments with osteoclasts) or by 3D powder printing for the production of complexly shaped macroporous structures for studying the angiogenesis in defined pore systems. The loading of the ceramics with metal ions is carried out by either addition of the respective salts during sintering as well as by subsequent adsorption from aqueous solutions to set cements. In vitro investigations of material resorption are performed with osteoclasts, obtained from human monocytes by addition of the differentiation factors MCSF and RANK-L, of which the differentiation is quantitatively evaluated via the activity of the osteoclast-specific enzymes TRAP (tartrate-resistant acid phosphatase) and carbonic anhydrase II. The angiogenic potency of cements modified with metal ions is examined by means of human endothelial cells cultivated in collagen/fibrin gels, whereby their adhesion, proliferation and formation of tubular structures are studied by fluorescence microscopy. To obtain a better understanding of the effects of metal ions on endothelial cells respectively the angiogenesis, additional examinations of the expression of different genes and proteins involved in the angiogenic process will be carried out. Finally, the osteoclastic resorption and vascularization of the materials will be evaluated in vivo in a small animal model, whereby the resorption studies occur orthotopically in rat tibia, while the angiogenesis is quantified in subcutaneous tissue of rats.

Koordinator:
Prof. Dr. Michael Gelinsky

Kooperationspartner:
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. Uwe Gbureck, Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde, Universitätsklinikum Würzburg
Priv. Doz. Dr. med. Stefan Rammelt, Klinik und Poliklinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie und Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung, Universitätsklinikum Carl Gustav Carus an der Technischen Universität Dresden