Titantopographie - Einfluss auf Adhäsionskomponenten von Osteoblasten und deren Funktion
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SPP Biosystem 322 1100 NE 560/3-3:
„Titantopographie - Einfluss auf Adhäsionskomponenten von
Osteoblasten und deren Funktion“
Barbara Nebe, Ulrich Beck, Joachim Rychly, Frank Lüthen, Regina Lange
Universität Rostock
Osteoblast (Aktin, grün) mit Fibronektin-„footprints“ (rot)
Würzburg, Statusseminar, 03.03.2005
Kooperationen innerhalb des Schwerpunktprogramms SPP 1100
Projekt: ZI 215/25-3
Projekt: TH 438/16-5
Ansprechpartner: Projekt: MU 1803/1-1
Dr. Bettina Hoffmann, Dr. RainerDetsch Ansprechpartner:
Friedrich-Baur-Forschungsinstitut Dr. Andrea Ewald Ansprechpartner: Projekt: EI 467/1-3
für Biomaterialien Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Dr. Frank Müller
und Lehrstuhl für Biochemie Medizin und Zahnheilkunde, Institut für Werkstoffwissenschaften,
ZMK Klinik Ansprechpartner:
Universität Bayreuth Lehrstuhl für Glas und Keramik
Universität Würzburg Dr. Eva Eisenbarth
95440 Bayreuth der Universität Erlangen-Nürnberg
97070 Würzburg Universität des Saarlandes
91058 Erlangen
Lehrstuhl für metallische Werkstoffe
Material-Bereitstellung:
Analysen: 66041 Saarbrücken
Funktionalisierung von Material-Bereitstellung:
Titanoberflächen Western Blot für Matrixproteine Biomimetische Apatitschicht auf
Elektrochemische Vergleichsmessungen Material-Bereitstellung:
durch Peptid-Immobilisierung chemisch vorbehandeltem Titan
Nanostrukturierung von Titanoberflächen
thermische Oxidation, Ra 10-100 nm
Projekt: WO 495/11-3
Projekt: NE 560/3-3 Ansprechpartner:
Dr. Scharnweber
Dr. Barbara Nebe / Prof. Dr. Joachim Rychly PD Dr. Ulrich Beck Inst. für Werkstoffwissenschaften
Universität Rostock Universität Rostock TU-Dresden
Klinik für Innere Medizin Fakultät für Informatik und Elektrotechnik
Klinische Forschung Institut für Gerätesysteme und Schaltungstechnik Analysen:
Ernst-Heydemann-Str. 6 Richard-Wagner-Str. 31 elektrochemische Messung
18057 Rostock 18119 Rostock an Titan, Ti-Legierungen
zellbiologische Untersuchungen: physikalisch-chemische Untersuchungen:
Osteoblast-Zellkultur auf modifiziertem Titan Physikalisch-chemische Charakterisierung von Titan-
Adhäsions-spezifische Parameter Oberflächen; Strukturierung von Ti-Oberflächen
Publikationen ab Mai 2003
Publikationen
Datum Anlass Autoren Thema
2003 Mater Sci Engin: C Kirbs, Lange, Nebe, On the description of the fractal nature of
23 (2003) 413-418 Rychly, Müller, Beck microstructured surfaces of titanium-
implants.
2003 Mater Sci Engin: C Kirbs, Lange, Nebe Methods for the physical and chemical
23 (2003) 425-429 Rychly, Baumann, characterisation of surfaces of titanium
Neumann, Beck implants.
2003 Mater Sci Forum Nebe, Effects of titanium surface topography on
Vols. 426-432 Lüthen, Baumann, the cell-extracellular matrix interaction in
(2003) 3023-3030 Beck, Diener, osteoblasts.
Neumann, Rychly
2004 J Mater Sci: Mater Becker, Nebe, Cellular investigations on electrochemically
Med 1 Lüthen, Rychly, deposited calcium phosphate composites
5 (2004) 437-440 Neumann
2004 BIOmaterialien Lange, Lüthen, Kirbs, Correlation between physico-chemical
5 (2004) 74-75 Baumann, Müller, properties of micro-structured implants and
Rychly, Nebe, Beck cell biological parameters
2004 BIOmaterialien Nebe, Lüthen, Diener, Mechanisms of cell adhesion on surfaces of
5 (2004) 32-33 Becker, Lange, Beck, pure titanium
Neumann, Rychly
2004 Mater Sci Engin: C Nebe, Lüthen, Lange, Topography-induced alterations in adhesion
24 (2004) 619-624 Becker, Beck, Rychly structures affect mineralization in human
osteoblasts on titanium
2005 Biomaterials Diener, Nebe, Lüthen, Control of focal adhesion dynamics by
26 (2005) 383-392 Becker, Beck, material surface characteristics.
Neumann, Rychly
2005 Biomaterials Lüthen, Rychly, Becker, The influence of surface roughness of
26;15 (2005) 2423- Lange, Beck, titanium on β1- and β3-integrin adhesion
2440 Neumann, Nebe and the organization of fibronectin in human
osteoblastic cells.
Zellmorphologie: Osteoblasten MG-63
Titantopographie
P NT GB CB VPS
Ra 0.19 µm Ra 0.54 µm Ra 1.22 µm Ra 6.07 µm Ra 48.59 µm
Titan pur (Grad 2) DOT GmbH GB Glas gestrahlt Glaspartikel, 180-300 µm, 3.5 bar
P poliert 4000er Feinschliffpapier CB Korund gestrahlt Aluminiumoxid-Partikel, 500-600 µm, 6.0 bar
NT abgedreht VPS Vakuum Plasma Schichtdicke 250 µm + Aluminiumoxid-
gespritzt Partikel, 500-600 µm, 3.5 bar
Grenzflächeninteraktion Zelle - Implantatoberfläche
Zellsignaling
Aktin-Zytoskelett
Tensin
Vinkulin
Adhäsions-Kontakte
Integrinrezeptoren Fibronektin
extrazelluläre Matrix
physikalisch-chemische Komponenten Oberflächentopography Biomaterial
Aktin / FN
Tensin
β1-Integrine
Titan
Topographie
poliert maschiniert Korund gestrahlt
Localization of β1 integrins and tensin in primary osteoblasts
β1 tensin merge
COL
β1 tensin merge
CB
Method: 24 h culture, DMEM +10% FCS, anti-β1 mAb + goat anti-mouse secondary Ab 488Alexa,
anti-tensin mAb +secondary Ab Cy3, confocal LSM 410
Kolokalisation von β1-Integrinen (grün) mit dem Aktin-Zytoskelett (rot)
- beeinflusst durch die Struktur des Titans
COL-Kontrolle
COL
NT
CB
Methode:
Zellen: humane primäre Osteoblasten
Integrine: primärer Ak: Maus anti-human beta1
sekundärer Ak: Alexa488-Ziege anti-Maus IgG
Aktin: Phalloidin-TRITC
Analyse: LSM Leica TCS SP2 AOBSMineralisierung humaner Osteoblasten auf strukturiertem Titan
300
n=8
250
fluorescence related to P in %
200
150
Ti P=100%
100
50 *
0
1 2 3 4 5
Ti P Ti NT Ti GB Ti CB
T-Test, gepaart, *pmRNA Expression von Differenzierungsmarkern
von MG-63 Osteoblasten
Osteopontin - mRNA-Expression in Abhängigkeit von der Bone Sialoprotein - mRNA-Expression in Abhängigkeit von der
Osteopontin
Oberflächenbeschaffenheit Bone Sialoprotein
Oberflä#chenbeschaffenheit
3
4
rel. mRN A-Expression
3
rel. mRNA-Expression
2
2
1
1
0
TCPS+Coll 1 TiP TiNT TiGB TiCB TiVPS ES 0
TCPS+Coll 1 TiP TiNT TiGB TiCB TiVPS ES
Material
Material
3d 7d 24h 3d 7d
Alkalische Phosphatase - mRNA-Expression in Abhängigkeit von der
Alkalische Phosphatase
Oberflächenbeschaffenheit
3
rel. mRNA-Expression
2
1
Methode:
real time RT-PCR 0
TCPS+Coll 1 TiP TiNT TiGB TiCB TiVPS ES
DNA Diagnostik Nord Material
Fr. Dr. U. Bulnheim
24h 3dPhysikalisch-chemische Materialeigenschaften
•Mittenrauhwert ra (Tastschnittmessungen)
•Korrosionspotential Ecorr (LSV)
•Korrosionswiderstand Rcorr (LSV)
•Korrosionsstrom Icorr (LSV)
•Oberflächenladung Q (CA)
•Elektrochemische Doppelschichtkapazität C (EIS)
•Fraktale Dimension DF (LSV, EIS, DIP)
Methodik:
•LSV Linear Sweep Voltammetry
•CA Chronoamperometrie
•EIS Elektrochemische Impedanzspektroskopie
•DIP Digitale BildverarbeitungOberflächenmodifikationen von Titan
Vakuumplasma
Poliert Maschiniert Glasgestrahlt Korundgestrahlt gespritzt
(P) (M) (G) 6 bar (C6) rauh (VR)
20 µm
20 µm 20 µm 20 µm
20 µm
ra= ra= ra= ra= ra=
0.07µm 0.53µm 1.22µm 6.07µm 48.59µmKorrelationskoeffizient nach Pearson
Integrin- Zell- β1 - Zellausbreitung Vinculin Genexpression
Proliferation 24h
Integrin- Bone
expression adhäsion Fläche Form
0,9Zusätzliche Oberflächenmodifikationen
feinpoliert korundgestrahlt 2,5 bar plasmagespritzt sehr fein plasmagespritzt fein
20 µm 20 µm 20 µm 20 µm
FP C2,5 VFF VF
50 µm 50 µm 50 µm 50 µm
Mittenrauhwert ra [µm]
100 48.59
28.98
11.51
4.89 6.07
10
1.22
0.53
1
0.07
0.1 0.05
0.01
FP P M G C2,5 C6 VFF VF VRKorrelationskoeffizient nach Pearson 0.7
Ausblick •Zusätzliche biologische und physikalisch-chemische Parameter •Erweiterung der Strukturpalette mit definierten geometrischen Strukturen •Funktionale Abhängigkeiten des Zellverhaltens von der OF- Struktur
Geplante Poster ab Mai 2003
Poster
Datum Anlass Autoren Thema
2003 BIOmaterialien Lüthen, Becker, Lange, Effects of titanium topography on the
Rychly, Beck, Nebe formation of integrin adhesions in human
2 (2003) 128
osteoblasts.
2003 BIOmaterialien Diener, Nebe, Lüthen, Formation of focal adhesions are controlled
Becker, Neumann, by surface characteristics of a biomaterial.
2 (2003) 98
Rychly
2003 BIOmaterialien Lange, Lüthen, Kirbs, Correlation between morphological
Becker, Müller, Rychly, characteristics of microstructured surfaces
2 (2003) 122
Beck, Nebe of titanium implants and cell biological
parameters.
10/2003 ESB Stuttgart Lüthen, Diener, Adhesion and gene expression in
Bulnheim, Teller, Nebe, osteoblasts on sol-gel-derived calcium
Beck, Krause, phosphate coatings.
Neumann, Rychly
10/2003 ESB Stuttgart Lange, Lüthen, Kirbs, Correlation between biological parameters
Becker, Müller, Rychly, of cells on micro structured titanium
Nebe, Beck surfaces and its topographical
characteristics.
2004 DGZ, Berlin Diener, Nebe, Lüthen, Dynamics of focal adhesions in osteoblastic
Eur J Cell Biol 83 Becker, Neumann, cells are controlled by characteristics of
(2004) S 2/37 Rychly biomaterial surfaces.
06/2004 ECM Lange, Lüthen, Kirbs, An attempt to correlate the characteristics
Davos, Schweiz Müller, Rychly, Nebe, of micro structured surfaces of titanium
Beck implants and biological parameters of
adhesive cells
09/2004 Symposium Lange, Lüthen, Kirbs, A contribution to the correlation between
Biomaterialien in Baumann, Müller, physico-chemical properties of micro
der Zahnmedizin, Rychly, Nebe, Beck structured implants and cell biological
Rostock- parameters
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