Authors:	Lehnert, Michael
Title:	Biofunktionalisierung oxidischer Titanoberflächen über eine spezifische Anbindung von biotinyliertem Fibronektin für die medizinische Anwendung
Online publication date:	13-Mar-2012
Year of first publication:	2012
Language:	german
Abstract:	In der hier vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung und Charakterisierung einer biomimetischen Beschichtung für Titanimplantatoberflächen, insbesondere Dentalimplantate, beschrieben. Ziel war es, die Adhäsion und Aktivität von Osteoblasten auf Titanoberflächen zu steigern und so eine Beschleunigung der Implantatintegration in das Knochengewebe zu erreichen. Hierfür wurde eine spezielle Art der biomimetischen Beschichtung entwickelt, bei der biotinyliertes Fibronektin (bFn) über Streptavidin auf eine biotinylierte TiOX-Modelloberfläche immobilisiert wurde. Die Biotinmodifizierung der TiOX-Oberfläche erfolgte hierbei über einen „Self-Assembly-Prozess“ durch sequenzielle Chemiesorption von N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilan sowie verschiedenen Sulfo-NHS-Biotin-Derivaten, welche den Aufbau einer Streptavidin-Monolage ermöglichten. Als ein wichtiges Resultat zeigte sich, dass die Streptavidin-Monolage effektiv die unspezifische Adsorption von Proteinen an die TiOX-Oberfläche unterbindet und hierdurch die Adhäsion von Osteoblasten auf dieser unterdrückt. Dies hat den Vorteil, dass auf eine antiadhäsive Basisbeschichtung, welche für eine spezifische Zellreaktion wichtig ist, verzichtet werden kann. Dieses osteoblastere Adhäsionsverhalten änderte sich signifikant nach Anbindung von bFn an die Streptavidin-Monolage, mit dem Ergebnis, einer drastischen Steigerung der Osteoblastenadhäsion. Weiterhin besaßen Osteoblasten auf diesen Oberflächen ein Proteinexpressionsmuster, das auf eine erhöhte Osteoinduktion schließen lässt. Es zeigte sich darüber hinaus eine verstärkte Zelladhäsion sowie eine Steigerung des osteoinduktiven Effekts auf Substraten, bei denen bFn über eine Streptavidin-Monolage immobilisiert wurde, gegenüber mit nativem Fibronektin (Fn) modifizierten TiOX-Oberflächen. Ein wesentlicher Schwerpunkt bestand daher in der Analyse der Zusammensetzung und Struktur der biomimetischen Beschichtung über „Surface Plasmon Spectroscopy“ und „Atomic Force Microscopy“. Diese ergab, dass bFn und natives Fn auf den jeweiligen Oberflächen eine unterschiedliche Konformation einnimmt. Im Gegensatz zu nativem Fn, das bei der Adsorption unter physiologischen Bedingungen auf TiOX-Oberflächen eine kompakte Konformation besitzt, nimmt bFn auf einer Streptavidin-Monolage eine entfaltete Konformation ein. Bei letzterer handelt es sich um dieselbe, welche Fn in vivo innerhalb der extrazellulären Matrix besitzt. Sie unterscheidet sich von der kompakten Fn-Konformation dahingehend, dass entlang der Fn-Achse weitere Proteinbindestellen zugänglich werden und hierdurch die Zellaffinität von Fn gesteigert wird. Die nachgewiesene Konformationsänderung kann somit als Grund für die gesteigerte Osteoblasten-Adhäsion und Aktivität auf Oberflächen mit bFn angenommen werden. Diese Kenntnisse konnten weiterhin für die Optimierung des biomimetischen Schichtsystems genutzt werden. So war es möglich, durch alternierendes Inkubieren der Biotin-aktivierten Oberfläche mit Streptavidin und bFn, ein Multilayersystem gezielt aufzubauen. Der Vorteil dieses Multilayersystems gegenüber einer einfachen Monolage aus bFn besteht in einer erhöhten Stabilität der biomimetischen Beschichtung, wodurch eine Anwendung in der Praxis erleichtert würde. This dissertation describes the development and characterization of a biomimetic coating for titanium implant surfaces, especially dental implants. The aim of this study was to improve the adhesion as well as the activity of osteoblasts on titanium oxide (TiOX) surfaces and so to accelerate the tissue integration of the implant. A special biomimetic architecture was created where biotinylated fibronectin (bFn) was adsorbed via streptavidin on a biotinylated TiOX model surface. The biotin surface modification was achieved by sequential chemisorptions of N-(6-aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilane and Sulfo-NHS-Biotin derivatives. In the next step, streptavidin was adsorbed specifically on the surface using self assembly techniques. As a result, this streptavidin monolayer effectively hinders protein adsorption and prevents osteoblast adhesion on the TiOX surface. This is advantageous because it makes an additional anti adhesive surface coating, which is important for a specific cellular reaction, redundant. After the adsorption of bFn onto the streptavidin monolayer, a significant increase in osteoblast adhesion can be observed. Additionally, osteoblasts showed a protein expression pattern which indicates increased osteoinduction. Furthermore, osteoblast adhesion and osteo-inductive effects were enhanced on substrates modified with bFn over a streptavidin monolayer, compared to substrates modified with native fibronectin only. Therefore the composition and structure of this biomimetic coating was analyzed in detail, using surface plasmon spectroscopy and atomic force microscopy. The results showed that bFn and native fibronectin adopt different conformations on each substrate. In contrast to native fibronectin, which adopts a compact conformation on TiOX surfaces, bFn adsorbs in an extended conformation on the streptavidin monolayer. The latter conformation is similar to the extra cellular matrix conformation of fibronectin in vivo. In this conformation additional binding sites are accessible, which leads to an increased cellular affinity. In the compact conformation these binding sites are cryptic inside the protein structure. Therefore this conformational change can be assumed to be the reason for the increased osteoblast adhesion and osteo-inductivity. This conclusion could further be used to improve the stability of the biomimetic coating. By alternating incubation with streptavidin and bFn, a multilayer-system was successfully built up on the biotin modified TiOX surface. This multilayer-system is more stable and therefore enables the use of biomimetic coatings in praxis.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1323
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30639
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	176 S.
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