Nano-Oberflächen für bessere Implantate

Die Jenaer Materi­al­wis­sen­schaft­lerin Dr. Izabela Firkowska-Boden vor Bildschirmen, die nanostruk­tu­rierte Oberflächen und Throm­bo­zyten zeigen. Foto: Anne Günther/Universität Jena

Nano-Oberflächen für bessere Implantate

Wenn Blutgefäße stark geschädigt sind oder die Herzklappen nicht mehr richtig arbeiten, muss Ersatz her. Allein in Deutschland werden daher pro Jahr ca. 190.000 Gefäß­pro­thesen und 30.000 Herzklap­pen­er­sätze implan­tiert. Diese Lebens­retter bestehen in der Regel aus Kunst­stoffen. Neben vielen Vorteilen haben diese Materialien einen wesent­lichen Nachteil beim Kontakt mit Blut: Sie aktivieren häufig die Gerinnung, was dazu führen kann, dass sich auf ihrer Oberfläche Blutge­rinnsel bilden. Lösen sich diese von den Material­ober­flächen, kann es zu lebens­be­droh­lichen Kompli­ka­tionen, wie Throm­bosen oder Embolien, kommen. Daher müssen Patienten mit solchen Implan­taten oft ein Leben lang Gerin­nungs­hemmer einnehmen und leiden unter deren Nebenwirkungen.

Einen neuen Ansatz zur Lösung dieser Probleme haben jetzt Forschende von der Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena entwi­ckelt. Dazu schuf das Team um die Physi­kerin und Materi­al­wis­sen­schaft­lerin Dr. Izabela Firkowska-Boden besondere nanostruk­tu­rierte Polymer­ober­flächen. „Beim Abkühlen aus der Schmelze bilden sich unter den richtigen Bedin­gungen feinste hochge­ordnete Oberflä­chen­muster aus Polymer­kris­tallen auf diesen Materialien. Diese Kristalle sind nur wenige zehn Milli­ardstel Meter groß“, sagt Firkowska-Boden.

Fibri­nogen richtet sich entlang der Muster aus

Der Clou dabei: Diese geord­neten Muster sind etwa genau so klein wie das Eiweiß­mo­lekül Fibri­nogen, das ein wichtiger Faktor bei der Blutge­rinnung ist. Durch diese Größen­über­ein­stimmung und physi­ka­lische Kräfte richtet sich das Fibri­nogen entlang der Muster aus. Werden Blutplättchen, sogenannte Throm­bo­zyten, die ebenfalls wichtig bei der Blutge­rinnung sind, mit den mit Fibri­nogen behan­delten Polymer­mustern in Kontakt gebracht, verändern sich diese. „Die Änderungen der Blutplättchen sind stark von der Struktur der Polymer­muster abhängig und lassen sich durch diese beein­flussen“, erklärt die Jenaer Wissen­schaft­lerin. Während die Blutplättchen sich auf einem Polymer­muster stark verändern und ihr Potenzial für die Blutge­rinnung steigern, reagieren diese Blutplättchen auf anderen Polymer­mustern kaum, wie Firkowska-Bodens Team jetzt herausfand.

Neues Design throm­bo­re­sis­tenter Oberflächen von Bioma­te­rialien ist das Ziel

„Aus biome­di­zi­ni­scher Sicht zeigt unsere Arbeit, dass die Material-Oberflä­chen­struk­tu­rierung in einem nanoska­ligen Größen­be­reich einen Feinab­stim­mungs­me­cha­nismus zur Manipu­lation der Fibri­nogen-Bioak­ti­vität und Blutplätt­chen­ak­ti­vierung bieten kann, der vielver­spre­chend für das Design neuer throm­bo­re­sis­tenter Oberflächen von Bioma­te­rialien ist“, so Dr. Firkowska-Boden. Damit wäre ein wichtiger Schritt getan, Implan­tat­ma­te­rialien aus Polymeren in Zukunft weniger anfällig für die Bildung von Blutge­rinnseln zu machen.

Origi­nal­pu­bli­kation:

Izabela Firkowska-Boden, Christian Helbing, Thomas J. Dauben, Maja Pieper, Klaus D. Jandt: How Nanot­o­po­graphy-Induced Confor­ma­tional Changes of Fibri­nogen Affect Platelet Adhesion and Activation, Langmuir 2020; https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02094

Textquelle: Axel Burchardt, Friedrich-Schiller-Univer­sität Jena

Bildquelle: Die Jenaer Materi­al­wis­sen­schaft­lerin Dr. Izabela Firkowska-Boden vor Bildschirmen, die nanostruk­tu­rierte Oberflächen und Throm­bo­zyten zeigen. Foto: Anne Günther/Universität Jena