Biocoating of Electropolished and Ultra-Hydrophilic Titanium and Cobalt Chromium Molybdenum Alloy Surfaces with Proteins

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 33; no. 12; pp. 720 - 727
• Main Authors: Chatzinikolaidou, M., Laub, M., Rumpf, H., Jennissen, H. P.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.12.2002; WILEY‐VCH Verlag
• Subjects: Alkylsilane; bioaktive Oberflächen; biocoating; Biologisierung; BMP-2; desorption; drug release; Funktionalisierung; hydrocarbon coating; hydrophobicity; Hydrophobizität; implants; protein adsorption; Proteindesorption; surface engineering
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.200290002

Bone morphogenetic proteins (BMPs) play a decisive role in bone development and osteogenesis. In the past they have been the subject of widespread research and clinical trials as stimulants of bone growth. Although recently recombinant human BMP‐2 (rhBMP‐2) has been chemically immobilized on implant surfaces leading to enhanced bone growth and accelerated integration in vivo, the non‐covalent immobilization of proteins on metal surfaces is still poorly understood, since the oxide layers on metals like titanium, stainless steel or cobalt chromium alloys are poor adsorbents of proteins. Protein binding surfaces could either be generated by linking ionic groups (ion‐exchange surface) or by coupling hydrophobic residues (hydrophobic interacting surface, HIS) to the surface. In this paper the preparation of protein adsorbing surfaces on titanium and cobalt chromium molybdenum alloy for the adsorption of rhBMP‐2 and ubiquitin will be described. rhBMP‐2 and ubiquitin are bound extremely tight to surfaces containing propyl or hexyl groups of a certain surface concentration and are slowly released over a range of at least 24–100 days making such surfaces applicable as long‐term drug delivery devices for enhancing bone growth or implant integration. Biologisierung von elektropolierten und ultra‐hydrophilen Titan‐ und Cobalt‐Chrom‐Molybdänlegierungs‐Oberflächen mit Proteinen Knochenmorphogenetische Proteine (BMPs) spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung der Organismen und der Osteogenese. In der Vergangenheit waren sie in der Stimulierung des Knochenwachstums Thema zahlreicher Untersuchungen und klinischer Studien. Obwohl kürzlich rekombinantes humanes BMP‐2 (rhBMP‐2), das auf Implantatoberflächen chemisch immobilisiert wurde zu verstärktem Knochenwachstum und zur beschleunigten Integration in vivo führten, ist die nicht‐kovalante Immobilisierung von Proteinen auf metallischen Oberflächen bisher nur wenig verstanden, da die Oxidschichten auf Metallen wie Titan, rostfreiem Stahl oder Kobalt‐Chrom‐Legierungen Proteine nur schlecht adsorbieren. Proteinbindende Oberflächen können entweder durch die Kopplung von geladenen Molekülen (Ionenaustauscheroberfläche) oder von hydrophoben Resten (hydrophob interagierende Oberflächen, HIS) an die Oberfläche hergestellt werden. In dieser Arbeit wird die Herstellung von Protein adsorbierenden Oberflächen auf Titan und einer Kobalt‐Chrom‐Molybdän Legierung für die Adsorption von rhBMP‐2 und Ubiquitin beschrieben. RhBMP‐2 und Ubiquitin werden außerordentlich stark an Oberflächen gebunden, die Propyl‐ oder Hexylgruppen bestimmter Oberflächenkonzentration tragen und werden langsam über einen Zeitraum von 24–100 Tagen von den Oberflächen wieder freigesetzt, so daß sich diese als langzeit “drug delivery devices” zur Anregung des Knochenwachstums und zur Beschleunigung der Implantatintegration eignen.