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Biomaterialien und Implantate

Im Themenfeld Biomaterialien und Implantate wird eine Reihe von Projekten bearbeitet, bei denen oft nanoporöse Materialien eine wichtige Rolle als Reservoir für Medikamentenfreisetzungssysteme spielen. Nanoporöse Medikamentenreservoirs aus anorganischen Materialien bieten den Vorteil, dass ein großes permanentes Volumen (ca. 50% des Gesamtvolumens) zur Speicherung des Wirkstoffs zur Verfügung steht. Dabei installieren wir das Freisetzungssystem im Allgemeinen auf einem Implantat, so dass die Medikamente direkt am gewünschten Wirkort frei gegeben werden (Implantat-assoziiertes Drug Delivery) und Probleme des Targeting umgangen werden. Viele unserer Arbeiten nutzen nanoporöses Silica, aber auch nanoporöse Metalle spielen eine wichtige Rolle, ebenso wie organisch-anorganische Hybridmaterialien wie PMOs (periodic mesoporous organosilicas) oder MOFs (metal-organic frameworks).

 In der vom Land Niedersachsen und der Volkswagenstiftung geförderten Forschungsinitiative „Biofabrication for NIFE“ arbeiten wir an der Entwicklung von Freisetzungssystemen, die auf eine Absenkung des pH-Wertes hin Wirkstoffe abgeben, z.B. Antibiotika in Folge der Ansäuerung des Umgebungsmilieus durch eine bakterielle Infektion [x].

Im Rahmen der ZIM-Verbundforschung haben wir gemeinsam mit universitären, außeruniversitären und industriellen Partnern in Form einer nanoporösen Oberflächenbeschichtung Wirkstoffdepots für  antibakterielle Medikamente und antiinflammatorisch wirkende Biomoleküle entwickelt (Projekt „ABBO“: Antibakterielle Beschichungen von Oberflächen).

Die Anwendung von Nanopartikeln in der Biomedizin scheitert häufig noch am Targeting, also dem Problem, dass die Partikel nicht zum Zielgewebe finden, um dort zu agieren. Im DFG-geförderten Projekt „Implant-Directed Magnetic Drug Targeting“ führen wir magnetisch ausgerüstete nanoporöse Silica-Nanopartikel über ein durch das magnetisierbare Implantat erzeugtes Magnetfeld zum Zielort.

Über die Freisetzung einfacher Medikamente hinaus befasst sich der Arbeitskreis intensiv mit der Freisetzung komplexerer bioaktiver Moleküle für die Zwecke der Regeneration und der Heilung. Dabei stehen die direkte Beeinflussung zellulären Verhaltens und die kontrollierte Bildung neuer Gewebe im Vordergrund. So arbeiten wir im Exzellenz-Cluster „Hearing4all“ einerseits daran, die Biologie des Innenohrs korrekt einzustellen und Nervenzellen des Innenohrs zu schützen, um so ihr Überleben zu sichern und eine gute Ansprechbarkeit durch Cochlea-Implantate zu gewährleisten; in diesem Rahmen haben wir z.B. nanoporöse Silica-Nanopartikel entwickelt, die effizient den Wachstumsfaktor BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) freisetzen. Ein weiterer Ansatz besteht in der Konstruktion eines neuronal guidance scaffolds, das wachsende Nervenfortsätze zum Implantat leitet. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von aktiven ansprechbaren Materialien, die eine erleichterte Implantation ermöglichen sollen.

Ein anderes Projekt zur Regeneration beschäftigt sich im Rahmen der DFG-Forschergruppe „Gradierte Implantate“ mit der Erzeugung von Implantaten, die die Regeneration von Knochen-Sehnen-Übergängen fördern. Hier entwickeln wir nanoporöse Silica-Nanopartikel, die die Wachstumsfaktoren BMP2 (Bone Morphogenetic Protein 2) und TGF-ß3 zeitlich kontrolliert abgeben. Diese werden dann selektiv in bestimmten Regionen einer Fasermatter angebunden. Es spielen also zeitliche als auch räumliche Gradienten eine Rolle. Mit der Freisetzung und Anwendung von BMP2 hatten wir uns bereits zuvor im Rahmen des Exzellenz-Clusters „Rebirth“ beschäftigt. Neben der Freisetzung von small-molecule-Wirkstoffen und Wachstumsfaktoren beschäftigen wir uns im Rahmen der Forschungsinitiative „Biofabrication for NIFE“ auch mit dem delivery von Nukleinsäuren wie z.B. siRNA.