Bioactive glass combined with natural derived proteins as composite materials for the application in bone tissue engineering

Kompositmaterialien bestehend aus bioaktivem Glas und natürlichen Proteinen für die Anwendung im Knochen Tissue Engineering

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71843
  • The present study has focused on the development and characterization of novel composite materials based on bioactive glass and natural derived proteins for the possible application in bone tissue engineering. Due to the progressive world population aging and the limited ability of the human body to restore lost tissue, there is an increasing demand for the regeneration of tissue damaged by disease or trauma. Especially, the replacement and repair of bone tissue represents a significant challenge. Nowadays, methods for the treatment of damaged bone tissue focus mainly on autologous or allogeneic bone grafts. Nevertheless, many drawbacks are associated with such implants like limitedThe present study has focused on the development and characterization of novel composite materials based on bioactive glass and natural derived proteins for the possible application in bone tissue engineering. Due to the progressive world population aging and the limited ability of the human body to restore lost tissue, there is an increasing demand for the regeneration of tissue damaged by disease or trauma. Especially, the replacement and repair of bone tissue represents a significant challenge. Nowadays, methods for the treatment of damaged bone tissue focus mainly on autologous or allogeneic bone grafts. Nevertheless, many drawbacks are associated with such implants like limited availability, risk of infections, incompatibility or ethical concerns. Therefore, the interdisciplinary field of bone tissue engineering (BTE) considers the development of so-called scaffolds which can provide an alternative for auto- and allografts. Some type of scaffolds for BTE comprises inorganic synthetic materials such as hydroxyapatite or bioactive glasses, e.g. the 45S5 Bioglass® composition. The application of 45S5 bioactive glass is attracting increasing attention as this material offers many advantages like bioactivity, osteoconductivity and angiogenic effects. However, the high brittleness of bioactive glass-based scaffolds limits their application area in bone tissue engineering, particularly in load-bearing parts. To overcome this problem, composite materials are developed to combine the key characteristics of different material classes. In this work, improvement of the mechanical properties of bioactive glass-based scaffolds (of the 45S5 composition) fabricated by the foam replica technique was attempted by the combination with biopolymers. In particular, scaffolds were coated with the natural polymers collagen and zein. For the coating procedure with collagen, scaffolds were surface-functionalized, which was a necessary step for the covalent bonding of collagen to the bioactive glass surface. For the zein coating, scaffolds were dip-coated in a solution with 8 wt.% of zein. The collagen coating as well as the zein coating were further stabilized by chemically induced crosslinks. The microstructure and the homogeneity of the applied coatings were investigated by scanning electron microscopy (SEM). For the evaluation of the bioactivity, uncoated and polymer-coated scaffolds were immersed in simulated body fluid (SBF) for up to 14 days. The formation of hydroxyapatite was confirmed by SEM observation and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Results showed no influence of the coating material on the bioactive behavior of the 45S5 bioactive glass-based scaffolds. The mechanical performance of the different scaffolds was investigated by compression strength tests. Compressive strength increased from 0.04 ± 0.02 MPa for uncoated scaffolds to 0.21 ± 0.03 MPa, and 0.18 ± 0.02 MPa for uncrosslinked and crosslinked collagen-coated samples, respectively. Zein-coating showed values of 0.21 ± 0.02 MPa and 0.19 ± 0.03 MPa for uncrosslinked and crosslinked samples, respectively. The enhancement of the mechanical performance of the different scaffolds was attributed to the polymeric infiltration of the microcracks present on the surface of the struts. The values of compression strength are still at the lower boundary for BTE applications but coated scaffolds were sufficiently robust to be handled safely which indicates that they can be used in clinical settings. The scaffolds exhibited the expected cell response when tested in vitro in contact with MG-63 cells. In addition, collagen- and zein-coated 45S5 bioactive glass-based scaffolds indicated an enhanced osteogenic differentiation behavior of ST-2 cells compared to uncoated samples. Altogether, the results of the present investigations showed that zein- and collagen-coated scaffolds have promising potential for the application in bone tissue engineering. Next to polymer-coated scaffolds, collagen and zein were also used for the fabrication of composites based on porous polymer matrices incorporating 45S5 bioactive glass particles as reinforcement. Primarily, this approach was applied to estimate the characteristics of collagen and zein as biomaterial. One the one hand, porous collagen sponges with and without bioactive glass incorporation were produced by lyophilization. In addition, salt leaching was employed to fabricate porous zein-based structures (with and without 45S5 bioactive glass). Even though collagen scaffolds exhibited high bioactivity and porosity of around 98 %, the mechanical properties were considered to be more relevant for soft tissue engineering applications. Zein scaffolds reinforced with bioactive glass exhibited compressive strength of 2.2 ± 0.9 MPa. In addition, the samples were bioactive with a porosity of around 84 %. The novel developed scaffolds provide a well-founded basis that warrants their further investigations in the field of bone tissue engineering. Composite scaffolds based on the combination of natural derived proteins and bioactive glass are therefore interesting candidates for BTE and the results of the present investigations should be expanded in future studies in relevant in vivo models.show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit beschreibt und erläutert die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Kompositmaterialien auf der Grundlage von bioaktivem Glas und natürlichen Polymeren, die im Knochen Tissue Engineering Anwendung finden sollen. Die steigende Nachfrage nach Möglichkeiten, beschädigtes Körpergewebe zu ersetzen, ist nicht nur auf die fortschreitende Alterung der Bevölkerung zurückzuführen, sondern liegt vor allem an der eingeschränkten Fähigkeit des Körpers verlorenes Gewebe eigenständig zu regenerieren. Vor allem der Ersatz von verlorener Knochensubstanz stellt für Mediziner immer wieder eine große Herausforderung dar. Heutzutage hat sich der Einsatz von autogenen oder allogenenDie vorliegende Arbeit beschreibt und erläutert die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Kompositmaterialien auf der Grundlage von bioaktivem Glas und natürlichen Polymeren, die im Knochen Tissue Engineering Anwendung finden sollen. Die steigende Nachfrage nach Möglichkeiten, beschädigtes Körpergewebe zu ersetzen, ist nicht nur auf die fortschreitende Alterung der Bevölkerung zurückzuführen, sondern liegt vor allem an der eingeschränkten Fähigkeit des Körpers verlorenes Gewebe eigenständig zu regenerieren. Vor allem der Ersatz von verlorener Knochensubstanz stellt für Mediziner immer wieder eine große Herausforderung dar. Heutzutage hat sich der Einsatz von autogenen oder allogenen Knochenimplantaten als Standard etabliert. Allerdings birgt die Anwendung auch viele Nachteile. Insbesondere die eingeschränkte Verfügbarkeit, die Möglichkeit von Infektionen oder auch auftretende Unverträglichkeiten müssen hierbei genannt werden. Ebenso spielen ethische Bedenken eine Rolle. Um diese Problematik umgehen zu können, konzentriert sich Knochen Tissue Engineering auf die Entwicklung sogenannter Scaffolds, die als Alternative für autogene bzw. allogene Knochentransplantate dienen können. Manche Scaffolds bestehen aus anorganischen synthetischen Materialien, z.B. Hydroxylapatit oder auch Bioglass®, wobei die Anwendung von bioaktivem Glas mehr und mehr Aufmerksamkeit auf sich zieht, da die Vorteile (u.a. Bioaktivität, Osteokonduktivität oder auch die angiogene Wirkung) für sich selbst sprechen. Allerdings ist das Einsatzgebiet von bioaktivem Glas in Form von Scaffolds aufgrund der niedrigen mechanischen Festigkeiten begrenzt, insbesondere in lasttragenden Bereichen. Demzufolge beschäftigt sich die Forschung mit der Entwicklung von Kompositmaterialien, um Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffgruppen zu vereinen. Das Ziel dieser Arbeit war unter anderem die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von bioaktivem Glas (mit der Zusammensetzung 45S5) basierten Scaffolds (die mit Hilfe der Schaumreplikationsmethode hergestellt wurden), indem diese mit Kollagen oder Zein beschichtet wurden. Für die Kollagenbeschichtung wurde die Oberfläche der Proben funktionalisiert, um Kollagen durch Peptidbindungen an die Oberfläche zu koppeln. Die Zeinschicht wurde durch einfache Tauchbeschichtung in eine Lösung mit 8 Gew.% Zein aufgetragen. Sowohl Kollagen wie auch Zein wurden des Weiteren durch chemisch induzierte Quervernetzungen stabilisiert. Neben der Mikrostruktur der Scaffolds und der Homogenität der Beschichtung, die mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht wurden, spielt auch die Bioaktivität eine große Rolle. Um diese beurteilen zu können, wurden Studien durchgeführt, bei denen beschichtete und unbeschichtete Scaffolds bis zu 14 Tagen in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) ausgelagert wurden. Die Abscheidung von Hydroxylapatit wurde sowohl durch REM Aufnahmen als auch durch Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass die Bioaktivität durch die Beschichtung mit Kollagen oder Zein nicht beeinträchtigt wurde. Die mechanischen Festigkeiten der unterschiedlichen Proben wurden mittels Druckversuchen bestimmt. Die Ergebnisse zeigten eine leichte Erhöhung der Druckfestigkeit von 0.04 ± 0.02 MPa für unbeschichtete Scaffolds auf 0.21 ± 0.03 MPa (unvernetzt) und 0.18 ± 0.02 MPa (vernetzt) für kollagen-beschichtete Scaffolds. Zein-beschichtete Scaffolds zeigten Werte im Bereich von 0.21 ± 0.02 MPa (unvernetzt) und 0.19 ± 0.03 MPa (vernetzt). Die erhöhten Werte können hauptsächlich auf die Infiltration des jeweiligen Polymers in die Bruchstellen an der Oberfläche der einzelnen Scaffoldstege zurückgeführt werden. Die gemessenen Werte liegen an der unteren Grenze für die Anwendung im Knochen Tissue Engineering, zeigen aber trotzdem eine ausreichende Stabilität auf, um im klinischen Bereich handgehabt zu werden. Beschichtete Scaffolds zeigten in vitro nicht nur gute Ergebnisse bezüglich Zellvitalität (MG-63 Zellen) auf, sondern lassen auch eine verbesserte osteogene Differenzierung von ST-2 Zellen im Vergleich zu unbeschichteten Scaffolds vermuten. Die vorliegenden Ergebnisse von kollagen- und zeinbeschichteten Scaffolds liefern also vielversprechendes Potential für die Anwendung im Knochen Tissue Engineering. Neben Polymerbeschichtungen wurden Kollagen und Zein auch verwendet, um poröse Polymermatrizen herzustellen, die durch die Einlagerung von bioaktiven Glaspartikeln verstärkt werden sollten. In erster Linie diente dieser Ansatz der Charakterisierung von Kollagen und Zein als Biomaterial. Einerseits wurden poröse Kollagenschwämme durch das Verfahren der Gefriertrocknung hergestellt. Zusätzlich diente die Salzauslaugung dazu, poröse zeinbasierte Strukturen zu erschaffen (mit und ohne bioaktivem Glas). Obwohl Kollagenschwämmchen eine hohe Bioaktivität und Porosität um die 98 % aufwiesen, sind sie aufgrund ihrer geringen mechanischen Festigkeit wesentlich besser für Tissue Engineering von Weichgewebe geeignet. Hingegen zeigten Zeinscaffolds, die mit bioaktivem Glasteilchen verstärkt wurden, Druckfestigkeiten im Bereich von 2.2 ± 0.9 MPa auf, bei einer Porosität um die 84 %. Zusätzlich konnte auch bioaktives Verhalten nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser neuartig entwickelten porösen Strukturen liefern daher eine fundierte Grundlage für weitere Forschungen auf diesem Gebiet. Kompositmaterialien basierend auf der Kombination von natürlichen Proteinen und bioaktivem Glas bieten interessante Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen in der regenerativen Medizin. Zusätzlich rechtfertigen die hier gezeigten Ergebnisse weitere Studien in relevanten in vivo Modellen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jasmin Hum
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-71843
Referee:Aldo R. Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2016
Date of online publication (Embargo Date):2016/06/06
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2016/02/17
Release Date:2016/06/15
Tag:Bioactive glass; bone tissue engineering; collagen; scaffolds; zein
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
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Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0