Hybrid-KEM

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Entwicklung neuer Hybride auf Phosphat/Silicat/Agarose-Basis als KnochenErsatzMaterial mit Release-Funktion für Bisphosphonat-Wirkstoffe
Fachbereiche und Institute: 
Angewandte Naturwissenschaften
Von: 
01.10.2018
to
30.09.2022
Förderungsart: 
Öffentliche Forschung

Projektbeschreibung

Zielsetzung und Inhalt des Projektes

Synthetische (alloplastische) Knochenersatzmaterialien (KEM) zur Anwendung von Knochenaufbau und –reparatur in Medizin und Zahnmedizin bestehen überwiegend aus Calciumphosphaten (CaP) unterschiedlicher Modifikationen. In einigen kommerziellen Systemen werden diese CaP mit geringen Anteilen z.B. an Siliziumdioxid modifiziert. Die Zusammensetzung von natürlichem Knochengewebe ist jedoch deutlich komplexer. Neben dem Hauptbestandteil CaP sind auch erhebliche Anteile an Carbonaten, Silicaten und Magnesiumverbindungen vorhanden. Das neu zu entwickelnde Material soll in seiner Zusammensetzung dem natürlichen Gewebe nachempfunden und der Metabolismus positiv beeinflusst werden.

Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung neuer anorganisch/organischer Hybrid-Verbindungen als Knochenersatzmaterial speziell mit Release-Funktion für Bisphosphonat (BP)-Wirkstoffe unter Ausnutzung ihrer anabolen und osteogenen Wirkungen. Die Hybride bestehen aus einer anorganischen (Phosphate, Silicate) und einer organischen Komponente (einem Polysaccharid, z.B. Agarose).

Inhalt: Es werden generell zwei Wege verfolgt:

  1. Optimierung kommerzieller KEM der kooperierenden Firma (Artoss GmbH) im Hinblick auf eine Release-Funktion für BPs
  2. Entwicklung neuer Hybrid-Materialien u.a. über Sol-Gel-Methoden und Core- Shell-Synthesen. Anorganische Komponenten (Phosphate, Silicate) werden mit organischen bzw.  makromolekularen Komponenten (Polysaccharide, z.B. Agarose) kombiniert. Diese dienen als neue Release-Systeme für zwei ver-schiedene kommerzielle BP-Wirkstoffe (erste bzw. zweite Generation).

Im Anschlusss an die Synthese wird die Verkapselung und kontrollierte Freisetzung der BP-Wirkstoffe sowie deren Wirkung auf Zellsysteme untersucht. Fernziel ist die lokale Anwendung BP-funktionalisierter Knochenersatz-materialien am Skelettsystem in Orthopä-die, Chirurgie oder Zahnmedizin zur Förderung von Wund- und Knochenheilung bzw. Knochenregeneration.

Neben der Herstellung (Synthese) bilden Untersuchungen zur Morphologie der neuen Hybrid-Werkstoffe u.a. mittels Röntgenstreuung (SAXS/WAXS) einen inhaltlichen Schwerpunkt. 

Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
Abbildung 1: Synthesestrategie für Knochenersatzmaterialien (KEM) und die Prüfung des Einflusses auf die Osteogenese bzw. das Knochenwachstum.

  Zu erwartende Forschungsergebnisse

  • Neue anorganisch-organische Hybrid-Materialien als KEM
  • Methodenentwicklung zur Strukturaufklärung (SAXS/WAXS)
  • Neue Release-Systeme für Bisphosphonate auf Polysaccharid-Basis
  • Nachweis der Wirkung des Konstrukts auf Zellen

Projektleitung an der H-BRS

Prof. Dr. Steffen Witzleben

Professor für Chemie, insbesondere Anorganische und Analytische Chemie
Studiengangsleiter Chemie mit Materialwissenschaften
Studiengangsleiter Materials Science and Sustainability Methods
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
E-Mail: 
steffen.witzleben [at] h-brs.de

Rheinbach

Raum: 
A 278

Kooperierende Professorinnen und Professoren

Publikationen

Publikation 1

Hansen B, El-Sayed F, Tobiasch E, Witzleben S, Schulze M (2017) Functionalized 3D Scaffolds for Template-Mediated Biomineralization in Bone Regeneration, eBook series Frontiers in Stem Cell and Regenerative Medicine Research volume 4, pages 3-58.

Publikation 2

Leiendecker A, Witzleben S, Schulze M, Tobiasch E (2016)  Template-mediated Biomineralization for Bone Tissue Engi-neering. Current Stem Cell Research & Therapy 12(2): 103-123.

Publikation 3

Leiendecker A, Witzleben S (2016) Strategies to Influence the Crystallization Process of Calcium Silicate Hydrates. European Colloid & Interface Society Conference, Rome, August 4-6, 2016.

Publikation 4

Zippel N, Limbach CA, Ratajski N, Urban C, Luparello C, Pansky A, Kassack MU, Tobiasch E (2012). Purinergic receptors influence the differentiation of human mesenchymal stem cells. Stem Cells Dev 12: 884-900.

Publikation 5

Schulze M, Tobiasch E (2011) Artificial scaffolds and mesen-chymal stem cells for hard tissues. In series: Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology on the Tissue Engineering III: Cell- Surface Interactions for Tissue Culture, series editor: Scheper T; vol eds Kaspar C, Pörtner R, Witte F. Springerverlag, ISBN: 978-3-642-28281-2.

Geldgeber

Kooperationspartner