Forschungsprojekt Hannover II

Projekt: Oberflächenfunktionalisierung dentaler Implantate mittels
mechanischer Nanostrukturierungen zur Verminderung der Adhäsion oraler
Biofilme
Projektleitung: Dr. Philipp Kohorst Klinik für Zahnärztliche Prothetik und
Biomedizinische Werkstoffkunde
Periimplantäre Entzündungen stellen die häufigste Ursache für den frühzeitigen Verlust
dentaler Implantate dar. Der primäre ätiologische Faktor für die Entstehung dieser
Periimplantitiden ist die Anlagerung oralpathogener Bakterien an Implantatstrukturen im
Bereich
der
Schleimhautdurchtrittsstelle.
Ziel
dieses
durch
die
Deutsche
Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes ist es, innovative nanostrukturierte
Implantatoberflächen zu entwickeln, die eine verminderte Bakterienadhäsion aufweisen. Legt
man die Zahl der jährlich inserierten dentalen Implantate und die Prävalenz periimplantärer
Infektionen zu Grunde, wird der gesundheitsökonomische Nutzen solcher optimierter
Implantatoberflächen deutlich. Die mechanische Oberflächenstrukturierung erfolgt dabei
unter Anwendung eines Femtosekundenlaser, der eine Bearbeitung nahezu aller festen
Materialien im Nanometerbereich ermöglicht, wobei aufgrund der sehr kurzen Laserpulse die
thermische Materialschädigung minimal bleibt. Im Rahmen des Projektes werden die
verschiedenen nanostrukturierten Oberflächen in der Folge systematisch im Hinblick auf die
Adhäsion repräsentativer oralpathogener Bakterien untersucht. Gleichzeitig soll evaluiert
werden, welchen Einfluss die lasergestützten Strukturierungen auf die Langzeitfestigkeit von
Implantatwerkstoffen haben. Dazu werden die strukturierten Materialien unter In-vitroBedingungen einer künstlichen Alterung unterzogen, die die mechanische und thermische
Belastungssituation im Milieu der Mundhöhle simuliert.
Erste Ergebnisse des Projektes zeigen, dass mit dem Femtosekundenlaser verschiedenste
Oberflächenstrukturierungen
definierter
Geometrien
in
Submikrometer-
und
Nanometerdimensionen erzeugt werden können. Die Adhäsion oralpathogener Bakterien
wird in Abhängigkeit von den Strukturierungstopographien deutlich beeinflusst, wobei die
verschiedenen Bakterienspezies ein unterschiedliches Anlagerungsverhalten zeigen. Ein
negativer Einfluss der Strukturierungen auf die Langzeitfestigkeit der untersuchten
Implantatmaterialien (Titan, Zirkoniumdioxid) konnte bislang nicht festgestellt werden.
Die im Rahmen des vorliegenden Projektes mit Hilfe des Femtosekundenlasers generierten
Oberflächenstrukturierungen stellen eine viel versprechende Möglichkeit dar, zukünftig die
Anlagerung oralpathogener Bakterien an Implantatstrukturen zu beeinflussen.
DFG-Sonderforschungsbereich 599 „Zukunftsfähige bioresorbierbare und permanente
Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen“(Förderzeitraum 2007 – 2011)
AFM-Aufnahme einer strukturierten
Titanoberflächen (lineare Grabenstrukturen)
AFM-Aufnahme einer strukturierten
Titanoberflächen (Spikestrukturen)
CLSM-Aufnahme einer unstrukturierten
Titanoberfläche
CLSM-Aufnahme einer strukturierten
Titanoberfläche
Projekt: Die Bedeutung bakterieller Virulenzfaktoren in natürlichen Biofilmen
unterschiedlicher Reifungsstadien für die Immunreaktion gingivaler
Epithelzellen
Projektleitung: Prof. Dr. Jörg Eberhard, Klinik für Zahnärztliche Prothetik und
Biomedizinische Werkstoffkunde, Prof. Dr. Ruth Anne Schmitz-Streit
Gemischte bakterielle Biofilme der Mundhöhle sind die Ursache für Zahnkaries, Gingivitis,
Parodontitis und Infektionserkrankungen mit hoher Prävalenz in der westlichen Bevölkerung.
Ziel des Projektes ist eine umfassende Studie, wie natürliche supragingivale Biofilme
unterschiedlicher Reifungsstadien mit gingivalen Epithelzellen interagieren und welche
pathogenen Mechanismen die Immunantwort modulierend beeinflussen. Hierzu wird die
Expression von potenziellen Virulenzfaktoren und solchen, die als Modulatoren der
Immunantwort in Betracht kommen, im Verlauf der natürlichen Biofilmentwicklung umfassend
untersucht.
Parallel
wird
erstmalig
die
Zusammensetzung
des
Biofilms
kultivierungsunabhängig während der Ausbildung verfolgt sowie eine metagenomische
Analyse für ausgewählte Reifungsstadien durchgeführt. Die Interaktion dieser natürlichen
Biofilme mit den gingivalen Epithelzellen der entsprechenden Spender soll anhand der
Expression von Entzündungsmediatoren und antimikrobieller Peptide untersucht werden. Zur
abschließenden
Beurteilung
der
physiologischen
Bedeutung
der
gewonnenen
molekularbiologischen Daten soll die Entzündungsreaktion am Modell der experimentellen
Gingivitis in situ dokumentiert werden. Die erzielten Ergebnisse werden dazu beitragen, neue
Strategien zur Entwicklung von diagnostischen, präventiven und therapeutischen Ansätzen
für entzündliche Erkrankungen zu entwickeln.
Mikroskopische Aufnahme eines
nativen oralen Biofilms. Die
Bakterienzellen wurden spezifisch
lebend/tot gefärbt (grün= lebend,
rot=tot) und der Biofilm mittels
Konfokalem-Laser-ScanningMikroskop untersucht.