Applikation von Nanopartikeln als Implantatbeschichtung zur Präsentation von biologisch aktivem BMP-2 an Implantatoberflächen

Poth, Nils Florian

In der Dissertation wird die Entwicklung von Nanopartikelsystemen auf der Basis des Polysaccharids Chitosan für den Einsatz als Implantatbeschichtung beschrieben. Hauptbestandteil der Arbeit sind Chitosan (CS) - Tripolyphosphat (TPP) Systeme, die als Drug Delivery Systeme für das Protein bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) eingesetzt werden. CS-TPP Nanopartikel werden durch ionotrope Gelierung von Chitosan mit Tripolyphosphat hergestellt und bezüglich Größe und Zetapotential mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Die Lagerungsstabilität der Partikel und deren Degradation durch Lysozym werden ebenfalls mittels DLS untersucht. Hier wird mit physiologischen Mengen an Lysozym eine Partikelgrößenreduktion von 40 % innerhalb von vier Tagen erreicht. Über das Verfahren der Sprühbeschichtung können die CS-TPP Nanopartikel auf Titanoberflächen immobilisiert werden (˜80 nm Filme). Die Stabilität der erhaltenen Beschichtungen wird in verschiedenen wässrigen Medien untersucht. Zur Charakterisierung der beschichteten Titanproben werden Ellipsometrie, Raster-Elektronen-Mikroskopie und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie eingesetzt. In vitro werden Freisetzungsstudien und die Bestimmung der Einlagerungseffizienz von BMP 2 in das CS-TPP Nanopartikelsystem (> 88 %) mittels „enzyme linked immunosorbent assay“ (ELISA) durchgeführt. Freisetzungsversuche an CS-TPP-BMP-2 Filmen auf Titanplättchen werden über einen BRE-Luziferase Test durchgeführt. Dies ermöglicht die Evaluation der biologisch aktiven Proteinmenge, welche über den ELISA nicht ermittelt werden kann und zeigt, dass bereits nach zwei Tagen ca. 45 % des theoretisch zur Beschichtung verwendeten BMP-2 freigesetzt wird und biologisch aktiv ist (˜142 ng/cm²). In vivo Versuche werden in Mäusen und Kaninchen durchgeführt. Im Falle der Mausstudie werden CS-TPP-BMP-2 beladene Kollagenschwämme implantiert und in histologischen Untersuchungen eine dosisabhängige, ektope Knochenbildung nachgewiesen. Für die Kaninchenstudie werden CS-TPP-BMP-2 beschichtete Titanhohlzylinder in einen Oberschenkelknochen der Kaninchen implantiert. Hier werden mittels µ-CT und Histologie ein gutes Einwachsen aller Implantate sowie eine Kallusbildung um das BMP-2 haltige Implantat beobachtet.

This dissertation deals with the development of nanoparticle systems based on the polysaccharide chitosan for the utilization as implant coatings. The main part of this work focuses on chitosan (CS) – tripolyphosphate (TPP) systems that are used as drug delivery systems for the protein bone morphogenetic protein 2 (BMP-2). CS-TPP nanoparticles are created via ionotropic gelation of chitosan with tripolyphosphate and characterized regarding size and zeta potential using dynamic light scattering (DLS). The storage stability and the enzymatic degradation of these particles are evaluated via DLS as well. Using physiological amounts of lysozyme a decrease in particle size of about 40 % within four days is observed. Applying the spray coating technique CS-TPP nanoparticles are immobilized on titanium surfaces (˜80 nm films). The stability of the resulting coatings is evaluated for different aqueous media. Ellipsometry, scanning electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy are used in order to characterize the CS-TPP nanoparticle coated titanium substrates. In vitro release studies with CS-TPP-BMP-2 nanoparticles and the determination of the encapsulation efficiency of CS-TPP nanoparticles for BMP-2 (>88 %) are carried out using an „enzyme linked immunosorbent assay“ (ELISA). The quantification of biologically active BMP-2 on CS-TPP-BMP-2 coated titanium substrates is conducted via a BRE luciferase test. The data shows that after two days about 45 % of the BMP-2, theoretically used in the coating process, is released and biologically active (˜142 ng/cm²). Furthermore an in vivo study where CS-TPP-BMP-2 containing collagen sponges were implanted in mice proves a dose dependent, ectopic bone formation after explantation and histological evaluation of the formed ossicles. For an in vivo study in rabbits, hollow CS-TPP-BMP-2 coated titanium cylinders are implanted in the femur. Here, a good ingrowth of all implants and a callus formation around the CS-TPP-BMP-2 coated implants are observed using µ-CT and histology.

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Poth, Nils Florian: Applikation von Nanopartikeln als Implantatbeschichtung zur Präsentation von biologisch aktivem BMP-2 an Implantatoberflächen. 2015.

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