Nanoporöses Aluminiumoxid als funktionale Beschichtung auf Biomaterialien

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2013-08-23
Issue Year
2013
Authors
Pedimonte, Birgit Joana
Editor
Abstract

A high mechanical stability combined with a low wear rate, a superior anchorage into the host tissue and an inhibiting tendency for the formation of biofilms are some of the requirements for Biomaterials that are placed in direct contact with hard tissue. Advanced coating methods which facilitate control of roughness at the micro scale and trigger the formation of hydroxyl apatite have been proven to yield a stable bone to implant anchorage. Nanostructures gained in interest as molecular, cellular as well as bacterial interactions with surfaces take place at such a length scale. In the present work the electrochemical formation and optimization of nanoporous anodic aluminum oxide (PAA) layers with varying nanopore structures (dPore ≤ 45 nm) were studied. The PAA layers were formed on non-conductive ceramic as well as conductive titanium based biomaterial substrates. The zeta-potential was derived from streaming potential measurements. The variation of biological interaction of the surface was correlated with the PAA nanostructure. The adhesion and proliferation of human osteoblasts as well as the adhesion of bacteria with Escherichia Coli (HB101) was investigated. It was demonstrated that the PAA nanoporous films show variable effects on the activity of human osteoblasts (hFOB) and the adhesion of Escherichia Coli (HB101). In addition the PAA layers were investigated to enhance the bonding interface to cement in the field of prosthetic solutions. The mechanical parameters of the PAA layers and their interface stability on different implant materials were analyzed. PAA nanoporous layers were demonstrated to achieve a cell stimulating (Osseointegration) as well as a biofilm inhibiting performance. Moreover it is possible to tailor the performance of such coatings for improved load bearing implant structures.

Abstract

Biomaterialien im Hartgewebekontakt setzen unterschiedliche Eigenschaften, wie hohe mechanische Stabilität bei geringem Reibungsverlust, eine gute Anbindung in das Empfängergewebe und einen hemmenden Einfluss auf die Bildung von Biofilmen, voraus. Insbesondere Beschichtungen welche eine gezielte Modifikation von topologischen, mechanischen und chemischen Oberflächeneigenschaften bewirken, haben sich als aussichtsreich erwiesen, um eine stabile Knochen/Implantat Anbindung herzustellen. Nanostrukturen kommt dabei ein zunehmendes Interesse zu, da sowohl molekulare, zelluläre, sowie bakterielle Prozesse auf dieser Größenskala stattfinden. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektrochemische Erzeugung nanoporöser anodischer Aluminiumoxidschichten (PAA) als funktionale Beschichtung auf elektrisch nichtleitenden keramischen und leitenden titanbasierten Biomaterialien mit Porengrößen dPore ≤ 45 nm untersucht. Aus Messungen des Strömungspotentials wurde das Zeta-Potential der PAA-Nanostrukturen abgeleitet und ein Zusammenhang zur biologischen Wechselwirkung hergestellt. Für den direkten Kontakt mit dem Empfängergewebe wurden Untersuchungen zur Adhäsion und Proliferation von humanen Osteoblasten sowie die Adhäsion von Bakterien und die damit verbundene Ausbildung von Biofilmen mit Escherichia Coli (HB101) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die erzeugten nanoporösen Aluminiumoxidschichten einen sehr unterschiedlichen Einfluss auf die Osteoblastenaktivität bzw. Adhäsion von Escherichia Coli (HB101) aufweisen. Des Weiteren wurden die erzeugten Schichten für den Bereich zementierter prothetischer Versorgungen als innovative Oberflächenstrukturen zur Erhöhung der Zementanhaftung auf herkömmlichen Biomaterialien untersucht. Zu diesem Zweck wurden die mechanischen Kennwerte von PAA-Schichten und deren Grenzflächenstabilität auf verschiedenen Implantmaterialien und mit PMMA basiertem Zement ermittelt. Durch gezielte Einstellung und topologische Optimierung der PAA-Strukturen können mechanisch stabile Schichten mit zellstimulierenden (Osseointegra-tion) bzw. -inhibierenden (Biofilm) Wechselwirkungen hergestellt werden und bezüglich des Einsatzortes (z.B. lasttragender Gelenkersatz) angepasst werden.

DOI
Document's Licence
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs