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Bioglas Fabrikation

Bioglass ist ein Glas, das speziell aus 45 Gew .-% SiO2, 24,5 Gew .-% CaO, 24,5 Gew .-% Na2O und 6,0 Gew .-% P2O5 zusammengesetzt ist. Gläser sind nicht-kristalline amorphe Feststoffe, die üblicherweise aus Materialien auf Silika-Basis mit anderen geringfügigen Additiven bestehen. Im Vergleich zu Kalk-Natron-Glas (wie in Fenstern oder Flaschen üblich) enthält Bioglass 45S5 weniger Kieselsäure und höhere Mengen an Kalzium und Phosphor. Dieses hohe Verhältnis von Calcium zu Phosphor fördert die Bildung von Apatitkristallen. Die spezifische Zusammensetzung von Bioglass 45S5 ist in biomedizinischen Anwendungen aufgrund seiner ähnlichen Zusammensetzung wie Hydroxylapatit, der mineralischen Komponente des Knochens, optimal. Diese Ähnlichkeit bietet die Fähigkeit von Bioglass, mit lebendem Knochen integriert zu werden. – wikipedia –

Tissue Engineering ist ein interdisziplinäres Feld und verbindet Ansätze aus Technik und Biologie. Die Idee ist, neues Gewebe zu schaffen, um beschädigte Teile im Körper wiederherzustellen oder zu ersetzen. Daher werden Zellen vom Patienten geerntet und in Kontakt mit Gerüsten und Signalmolekülen kultiviert.

Abb. 1: Schematische Darstellung der verschiedenen Schritte im gerüstgestützten Knochengewebe-Engineering.


Das Gerüst bietet eine Plattform für die Anheftung und Proliferation von Zellen. Natürlich spielt das gewählte Material für die Erstellung eines Gerüstes eine wichtige Rolle. Es muss biokompatibel und nicht toxisch sein. Natürliche Gerüste werden direkt vom Körper verwendet. Zum Beispiel liefert dezellularisierter Knochen eine perfekte Struktur, da er bereits den Körper darstellt. Da natürliche Gerüste nur begrenzt verfügbar sind, werden nicht-biologische Gerüste entwickelt.
In unserer Abteilung werden Gerüste in einer breiten Palette von verschiedenen Fertigungsmethoden produziert. Polymergerüste können durch Elektrospinnen hergestellt werden. Ein übliches Verfahren zur Herstellung von keramischen Gerüsten (z. B. 45S5-Gerüsten auf bioaktiver Glasbasis) ist die Schaumreplik-Methode [1]. Daher wird eine Aufschlämmung von Keramikteilchen hergestellt. Eine Opferschablone, z.B. Polyurethanschaum, wird durch die Aufschlämmung beschichtet. Der Schaum wird bei hoher Temperatur ausgebrannt und eine keramische Struktur bleibt übrig. Anschließend werden die Scaffolds im Kontakt mit Zellen getestet, um das Potenzial als Tissue Engineering Material zu untersuchen.
Abb. 2: Zellen in Kontakt mit einem bioaktiven Glas-basierten Gerüsten.

Mesoporöse Materialien sind Materialien mit Poren zwischen 2 bis 50 nm. Mögliche Anwendungsgebiete sind Biomedizin, Wirkstofftransport, Katalyse und Knochenregeneration. Die Mesoporosität kann geordnet oder ungeordnet sein, und das Material kann entweder auf Siliziumdioxidbasis oder auf Nicht-Siliziumoxidbasis sein [1,2]. Ein Beispiel für geordnete mesoporöse bioaktive Gläser (MBGs) auf Silika-Basis ist in Abb.1 dargestellt

MBGs haben eine vergrößerte Oberfläche, ein höheres Porenvolumen, eine bessere Fähigkeit zur Induktion von Apatit-Mineralisierung in simulierter Körperflüssigkeit und eine ausgezeichnete Zytokompatibilität im Vergleich zu nicht-mesoporösen bioaktiven Gläsern. Die geordnete mesoporöse Struktur von bioaktiven Gläsern ermöglicht auch die Zugabe von Wirkstoffen oder Wachstumsfaktoren in die Poren, um deren Eigenschaften weiter zu verbessern [3,4].

 

Abb. 1: Stark geordnete mesoporöse Cu-dotiertes Silikat-MBG

 

Im Institut für Biomaterialien gibt es mehrere erfolgreiche laufende Projekte, die an mesoporösen bioaktiven Gläsern, medikamentenfreien antibakteriellen Hybrid-Biopolymeren für medizinische Anwendungen und mesoporösen Matrizen für lokalisierte pH-gesteuerte Freisetzung von therapeutischen Ionen und Medikamenten arbeiten.

[1] J. Rouquerolt et al., “Recommendations for the characterization of porous solids,” Pure Appl. Chem., vol. 66, no. 8, pp. 1739–1758, 1994.

[2] C. Wu and J. Chang, “Mesoporous bioactive glasses: structure characteristics, drug/growth factor delivery and bone regeneration application.,” Interface Focus, vol. 2, no. 3, pp. 292–306, 2012.

[3] X. Yan et al., “The in-vitro bioactivity of mesoporous bioactive glasses,” Biomaterials, vol. 27, no. 18, pp. 3396–3403, 2006.

[4]  M. Vallet-Regi, I. Izquierdo-Barba, and M. Colilla, “Structure and functionalization of mesoporous bioceramics for bone tissue regeneration and local drug delivery,” Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., vol. 370, pp. 1400–1421, 2012.

Bioaktive Gläser sind bekannt für ihr osteoinduktives Verhalten, ihre Fähigkeit, sich sowohl an weiches Gewebe als auch an hartes Gewebe zu binden. Zusätzlich sind diese Gläser aus einer kohlensäurehaltigen Hydroxylapatitschicht (HCA) bei Einwirkung von biologischer Flüssigkeit [1,2]. Um die Bioaktivität weiter zu verbessern, ist es ein gängiger Ansatz, therapeutische Ionen in das Glasnetzwerk einzubringen. Es wird angenommen, dass die Freisetzung dieser Ionen während der Auflösung der ionen-dotierten Gläser das Verhalten von menschlichen Zellen günstig beeinflusst und die Osteogenese und Angiogenese fördert [3]. Darüber hinaus zeigen die Gläser durch die Einführung von Zink in das Glasnetzwerk eine antibakterielle Aktivität [4].

Daher entwickeln und charakterisieren wir in unserer Forschungsgruppe verschiedene Ionen-dotierte Gläser in verschiedenen Forschungsprojekten (z. B. drugfreie antibakterielle Hybrid-Biopolymere für medizinische Anwendungen, mesoporöse Matrizen zur lokalisierten pH-getriggerten Freisetzung von therapeutischen Ionen und Medikamenten durch Sol-Gel-Technik, um mesoporöses Glas zu erhalten, oder durch den Schmelz-abgeschreckten Weg.

[1] J. R. Jones, “Reprint of: Review of bioactive glass: From Hench to hybrids,” Acta Biomater., vol. 23, no. S, pp. S53–S82, 2015.
[2] L. L. Hench, “The story of Bioglass,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 17, no. 11, pp. 967–978, 2006.
[3] A. Hoppe, N. S. Güldal, and A. R. Boccaccini, “A review of the biological response to ionic dissolution products from bioactive glasses and glass-ceramics,” Biomaterials, vol. 32, no. 11, pp. 2757–2774, 2011.
[4] D. S. Brauer, “Bioactive Glasses-Structure and Properties,” Angew. Chemie Int. Ed., vol. 54, no. 14, pp. 4160–4181, 2015.

Ein Sol-Gel-Prozess ist ein kolloidaler Prozess, der auf anorganischen Polymerisationsreaktionen beruht, um Keramiken und Gläser zu synthetisieren [1]. Die meisten bioaktiven Gläser werden mit der Sol-Gel-Technik erhalten, da jede Oxidzusammensetzung erreicht werden kann und das Verfahren eine Tieftemperaturtechnik im Vergleich zur herkömmlichen Keramikverarbeitung ist [2], [3]. Weitere Vorteile sind eine kontrollierbare Form-, Größen- und Größenverteilung. Als Formen können Fasern, dichte Filme oder Monolithe erhalten werden [3]. Die schematische Darstellung der Sol-Gel-Technik und der daraus erhaltenen Produkte ist in Abb. 1 dargestellt.

In unserem Institut werden Sol-Gel-basierte bioaktive Gläser sehr erfolgreich entwickelt, Drug-Free Antibakterielle Hybrid-Biopolymere für medizinische Anwendungen und mesoporöse Matrices für die lokalisierte pH-gesteuerte Freisetzung von therapeutischen Ionen und Medikamenten.

Abb. 1: Schematische Darstellung der Sol-Gel-Technik und der Produkte, die man erhalten kann.
Reproduziert von [1]

[1] Pierre, A. C. (1998). General Introduction. In Introduction to Sol-Gel pp. 1–10.

[2] U. Schubert, “Part One Sol – Gel Chemistry and Methods,” in The Sol-Gel Handbook: Synthesis, Characterization and Applications, 2015, pp. 1–28.

[3] G. Kaur, G. Pickrell, N. Sriranganathan, V. Kumar, and D. Homa, “Review and the state of the art: Sol–gel and melt quenched bioactive glasses for tissue engineering,” Journal of Biomedical Materials Research – Part B Applied Biomaterials, vol. 104, no. 6. pp. 1248–1275, 2016.

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