Biofunktionalisierung von ß-Trikalziumphosphat Matrizen mit RGD-Peptiden und Aptameren für das Tissue Engineering von Knochen

Abstract

Die Rekonstruktion von Knochendefekten in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie bleibt bis zum heutigen Zeitpunkt eine Herausforderung. Der Goldstandard der Knochenregeneration ist bisher immernoch die Verwendung von autologem Knochengewebe, resultiert in Donormorbiditäten und ist in der Anwendung limitiert. Eine Alternative ist das Tissue Engineering, bei dem mit geeigneten Biomaterialien und autologen Stammzellen das defekte Gewebe regeneriert werden soll. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, ein osteoinduktives Biomaterial mit ß-Trikalziumphosphat (ß-TCP) als Kernmaterial zu generieren. ß-TCP weist als Grundmaterial keine funktionellen Gruppen für die Kopplung von bioaktiven Molekülen auf, weswegen eine Ummantelung der Kernmatrix mit Graphenoxid (GO) und Polylaktid-Polyglykolid (PLGA) etabliert wurde. Die Oberflächeneigenschaften der resultierenden 2D Oberflächen und 3D Konstrukte wurde anhand der Rasterelektronenmikroskopie und der Messung der Kontaktwinkel detektiert. Es zeigte sich nach der GO Behandlung eine hydrophile Oberfläche, die die Poren der ß-TCP Matrix komplett verdeckte. Um die Porosität des ß-TCP Materials beizubehalten wurde deswegen PLGA für weitere Biofunktionalisierungen gewählt. Es wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Ein Ansatz beinhaltete die Immobilisierung von RGD-Peptiden, die über einen Poly-L-Lysin-Platzhalter an die Oberflächen/Konstrukte immobilisiert wurden. Diese Modifikation resultierte in einer verstärkten Adhäsion auf 2D Oberflächen, jedoch nicht in einer verstärkten Proliferation und einer vermehrten Mineralisierung auf 2D oder 3D Kultivierungsebene. Der zweite Ansatz beinhaltete die Immobilisierung eines in vorherigen Arbeiten generierten Aptamers auf der Oberfläche der PLGA-beschichteten Oberflächen/Konstrukte. Die Versuche der Stabilisierung der Aptamere durch verschiedene Modifikationen scheiterte an der Verminderung der Bindungsaffinität des Aptamers an die humanen Kieferperiostzellen, weswegen mit dem unmodifizierten Molekül fortgefahren wurde. Die Bindungskräfte zwischen dem Aptamer 74 und den humanen Kieferperiostzellen wurde durch die Rasterkraftspektroskopie charakterisiert. Hier zeigten sich stärkere Bindungskräfte an osteogen-induzierte Zellen im Vergleich zu nicht induzierten, unbehandelten Zellen. In-vitro Analysen der auf den biofunktionalisierten Oberflächen/Konstrukten wachsenden Zellen zeigten eine leicht verstärkte Adhäsion auf der 3D Kultivierungsebene. Bezüglich der Proliferation und der Mineralisierungskapazität konnten keine verstärkenden Effekte beobachtet werden. In der vorliegenden Studie konnten wir zusammenfassend eine Strategie zur Biofunktionalsierung des anorganischen ß-TCP Materials etablieren, ohne die Oberfläche der Kernmatrix maßgeblich zu verändern. In zukünftigen Studien sollten die Immobilisierungseffizienzen optimiert werden, weitere Biomoleküle immobilisiert werden und die Biokompatibilität der in-vitro generierten Konstrukte ermittelt werden.