Biologische Charakterisierung
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Profil

Nach der Implantation von körperfremden Materialien findet eine Abfolge von Ereignissen statt, angefangen von Entzündungs- und Wundheilungsprozessen, bis hin zum Knochenumbau. Dabei spielen spezialisierte Zellen, wie Makrophagen, Osteoklasten und Osteoblasten eine Schlüsselrolle als Regulatoren. Außerdem erhöht die Kommunikation zwischen den Zellen, z.B. über Zytokine, noch zusätzlich die Komplexität der feinabgestimmten Abläufe.
Deswegen liegt unser Fokus auf der Erforschung von Reaktionen unterschiedlicher Zelltypen, ihren spezifischen Anpassungs – und Änderungsmechanismen bei Kontakt zu metallischen Biomaterialien.

Ineinandergreifende Fragestellungen werden bearbeitet

  • Entwicklung von Zellkultur Modellen für in vitro Untersuchungen
  • Identifizierung von Schlüsselparametern als Indikatoren für sensitive zellulare Prozessen
  • Beschreibung von Zellreaktionen an der Kontaktfläche Zelle – Biomaterial

Zellkultur Modelle


Differenzierte Osteoblasten (kleine Zellen) fördern die Aktivität von Osteoklasten (runde, größere Zellen) in der Kokultur © Steven Behr

Um die Situation in lebenden Organismen besser abbilden zu können, ist es absolut notwendig, geeignete (Ko)Kultur Modelle zu etablieren und anzuwenden. Diese Modelle ermöglichen ein besseres Verständnis der komplexen Reaktionen auf und Interaktionen mit Biomaterialien in vivo. Es werden bevorzugt humane Primärzellen verwendet.
Die erfolgreiche Etablierung einer Kokultur beinhaltet die Anpassung der individuellen optimalen Wachstumsbedingungen der einzelnen Zelltypen, die Charakterisierung ihres Erscheinungsbildes und molekularer Zellmarker unter normalen Kulturbedingungen und möglichst die Kontrolle der wachtumsfördernden Signalmoleküle.

Indikatoren


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Um die Reaktionen der verschiedenen Zellarten auf das Material zu verstehen, werden Anpassungen oder Abwandlungen des spezifischen Zellverhaltens oder der Zellmarker auf molekularer, biochemischer und funktionaler Ebene untersucht. Beispielsweise können spezielle Marker von Osteoblasten mittels Gen- und Proteinexpression analysiert werden, die charakteristisch für die Bildung von Knochen oder Extrazellulärmatrix und Mineralisierung sind.

Zellinteraktionen mit Biomaterialien


Mesenchymale Stammzellen auf der Oberfläche einer Magnesium Legierung © Jorge Gonzales

Die ausgewählten Indikatoren werden benutzt, um die Zellantworten unter dem Einfluss von Biomaterial - Abbauprodukten und in direktem Kontakt zur Material Oberfläche zu untersuchen. Wachstumsfördernde Effekte sind von besonderem Interesse, aber auch Störungen der zellulären Kommnikation oder hemmende Effekte werden beobachtet.

Wir sind Teil einer Prozesskette


Die Analyse der Zellvitalität dient der schnellen Rückkopplung zur Materialentwicklung mit einer möglichen Verbesserung der zelltoxischen und inhibierenden Eigenschaften der Magnesium-basierten Legierungen selbst oder von deren Abbauprodukten. Darüber hinaus werden die Auswirkungen der Zellen auf den Materialabbau (z.B. Abbaurate und Mikrostrukturveränderungen) in Zusammenarbeit mit der Abteilung „Materialdesign und Charakterisierung“ analysiert.
Dank dieser Zusammenarbeit werden verschiedene Strategien verfolgt wie beispielsweise poröse metallische Zellträger, die Modifikation von Legierungselementen und Beschichtungen mit Biomolekülen, um die Knochenintegration und/oder –induktion zu erhöhen.
Außerdem können Struktur-Funktions-Beziehungen von Biomaterialien oder biomimetischen Materialien (z.B. Beschichtungen oder Materialstruktur) durch Strukturforschung mit Röntgen- und Neutronenstrahlen erforscht werden, dank der etablierten Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen.
Haben sich einzelne Legierungen innnerhalb der in vitro Versuche als besonders vielversprechend erwiesen, werden Prototypen dieser Materialien als Implantate in enger Kooperation mit externen Partnern in vivo eingesetzt, und ihre Leistungsfähigkeit und Nebenreaktionen getestet.