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Experimentelle Untersuchungen zur Adhäsion von Biomolekülen auf biokompatiblen Metalloxiden unter Berücksichtigung von Kontaminationen

  • Das Material Titan wird Aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften für orthopädische und dentale Implantate eingesetzt. Neben der erfolgreichen Implantation kommt es jedoch in manchen Fällen zu Komplikationen. Ein Grund für die Komplikationen können Kohlenwasserstoff-Kontaminationen auf der Titanoxid-Oberfläche sein. Diese aus der Luft stammenden Kontaminationen wurden im Rahmen dieser Arbeit analysiert und deren Einfluss auf die Adsorption von Aminosäuren studiert. Als Modellsystem wurden Alkohole gewählt, da deren Konzentration in der Krankenhausluft stark erhöht ist. Zur Analyse der Adsorption auf Titanoxid wurden Isothermen im Druckbereich von 10^-6 bis 10^4 Pa mit Alkoholen und Wasser gemessen. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die Adsorption der Alkohole bei geringerem Druck (10^-6 Pa) beginnt als die des Wassers (10^-4 Pa). Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass sowohl das Wasser als auch die Alkohole schon bei Drücken adsorbieren, die unterhalb der Partialdrücke der jeweiligen Substanz in der Atmosphäre liegen. Zur Ermittlung der zugehörigen Adsorptionsenergien wurden die Daten an die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Brunauer-Emmet-Teller-Freundlich-Isotherme (BFI) angepasst. Die BFI unterscheidet sich von der klassischen Freundlichisotherme in der Beschreibung der lokalen Isothermen der heterogenen Oberfläche. So ist die klassische Freundlich-Isotherme durch eine Summe von Langmuir-Isothermen gegeben, wobei die BFI durch die Summation von lokalen BET-Isothermen entsteht. Aus der Anpassung der Rohdaten folgt, dass die Adsorptionsenergie der ersten Monolage für die Alkohole 95 kJ/mol ist und die Adsorptionsenergie des Wassers im Intervall zwischen 70 und 95 kJ/mol liegt. Sowohl der geringe Druck, bei dem Adsorption statt findet, als auch die Adsorptionsenergien zeigen, dass die Adsorption von Alkoholen aus der Luft an Titanoxid-Oberflächen thermodynamisch günstig ist. Zur Analyse der Haftstärke wurden die Alkohole des Modellsystems von der feuchten Titanoxid-Oberfläche desorbiert. Hierzu wurde die Technik der Thermischen Desorptions Spektrometrie (TDS) angewendet. Dabei wird die TiO2- Oberfläch konstant erhitzt und zu jeder Temperatur ein Massenspektrum der Desorbatgasphase gemessen. Damit im Spektrum zwischen der Oberflächenfeuchtigkeit und den Hydroxylfunktionen aus dem Alkohol unterschieden werden konnte, wurde zuerst D-Wasser und danach der Analyt-Alkohol an die Oberfläche adsorbiert. Aus den Daten der TDS wurden dann die Hauptreaktionen ermittelt und festgestellt, dass die kleinen Moleküle D2O, Methanol und Ethanol signifikant molekular desorbieren wohingegen Propanol und Butanol verstärkt zur Fragment-Desorption neigen. Beim Vergleich der Desorption der Alkohole mit Wasser wurde ermittelt, dass die Oberflächenfeuchtigkeit bei geringerer Temperatur beginnt zu desorbieren als die Alkohole. Bei erhöhter Temperatur über 600 K wurden die Desorptionsreaktionen durch den Zerfall der Desorbate überlagert. Um diese Ergebnisse quantifizieren zu können, wurden die Daten mit dem neu entwickelten RED1-Modell (Desroption mit überlagerter Reaktion) angepasst. Die Ergebnisse der Anpassung sind die Desorptionsenergien für die Alkohole (~162 kJ/mol) und für die Oberflächenfeuchtigkeit (~138 kJ/mol). Aus den Desorptionsenergien geht klar hervor, dass der Alkohol stärker an der TiO2-Oberfläche haftet als das Wasser und somit die Desorption unter physiologischen Bedingungen nicht zu erwarten ist. Außer den Desorptions-Energien wurden die Arrhenius-Parameter der Zerfallsreaktion ermittel. Diese liegen für die Alkohole und das Wasser in der gleichen Größenordnung (k0,rkt=0.07-7.22 s-1 und Erkt=26.91-43.33 kJ/mol). Zum Ende der Arbeit wurde der Einfluss der Kohlenwasserstoffschicht auf die Adsorption von Aminosäuren untersucht. Hierzu wurden die Oberflächen mit verschiedenen Methoden gereinigt, so dass die Adsorption auf der mit Kohlenwasserstoffen kontaminierten Oberfläche mit der Adsorption auf Oberflächen mit reduziertem Kohlenwasserstoffanteil verglichen werden konnte. Die Messungen zeigen, dass die Änderungen der Bedeckungen bei Adsorption auf kontaminierten Oberflächen kleiner sind als auf Oberflächen mit reduziertem Kohlenwasserstoff-Anteil. Dieser Effekt scheint in der Seitenkette der Aminosäure begründet zu sein. Die Kontamination scheint somit die Adsorption von Biomolekülen zu behindern. Unabhängig von dieser Arbeit konnten G. Müller et. al. zeigen51, dass mehr Zellen des Modellstamms für humane Osteoblasten MG63 auf der Oberfläche einer Titanlegierung gebunden werden, wenn der Kohlenwasserstoff-Anteil auf der Oberfläche reduziert ist. Da beide Arbeiten unabhängig und mit unterschiedlichen Methoden ein vergleichbares Ergebnis liefern, kann davon ausgegangen werden, dass die Luft im Operationssaal einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg der Implantation hat.
  • The material titanium is applied as orthopedic and dental implant base metal because of its high biocompatibility. Beside many successful implantations sometimes complications take place during the post operative phase and the implant is not incooperated in the human body. The reason for the complications can be a hydrocarbon contamination on the surface of the implant. These atmospheric contaminations were analyzed during this project and its influence to the bioadsorption of amino acids was studied. As a model system alcohols were chosen, because the air in hospitals in enriched with these compounds because of its use as germicides. To analyze the adsorption on titanium oxide, adsorption isotherms of alcohols and water were measured in the pressure range of 10^-6 to 10^4 Pa. During the experiments it was found that alcohol adsorption starts at 10^-6 Pa and water adsorption at 10^4 Pa. This result is of high importance, because it shows that water as well as alcohols adsorb in a pressure range, which is lower than the partial pressure range of volatile organic compounds (VOC) in the ambient air. To quantify the results of the adsorption isotherms the data was fitted with the new derived Brunauer-Emmet-Teller-Freundlich isotherm (BFI), which is distinguished to the classical Freundlich isotherm by the description of the local binding sites. In the Freundlich adsorption theory the local isotherms are described by Langmuir isotherms, but in case of using BFI each local binding site is a multilayer adsorption site described by a Brunauer-Emmet-Teller isotherm. So, the BFI describes adsorption on a heterogeneous with respect to the possibility of multilayer adsorption. The fit of the experimental data with BFI showed that adsorption energy of the 1st monolayer is 95 kJ/mol for the alcohols and 70 to 95 kJ/mol for water. The low adsorption pressure range in combination with the high adsorption energy show, that adsorption of alcohols from the air is thermodynamically favorable on the surface of titanium oxide. To analyze the adhesion strength of these alcoholic contaminants, desorption from TiO2 was measured including the influence of moisture. Therefore thermal desorption spectrometry (TDS) was applied by heating a alcohol and water treated sample of Degussa P25 TiO2 with a constant rate. To be able to distinguish the hydroxyl groups of water an alcohol D-water and H-alcohols were used. The measured data showed that the small molecules D2O, methanol and ethanol desorb molecular but propanol and butanol mainly show fragment desorption. Comparing desorption of water and alcohols, it was analyzed that the surface moisture desorbs in a lower temperature range than the hydrocarbons. Increasing the temperature over 600 K the desorbed species showed a decay which overlayed the desorption spectra. To quantify the measurement results a model, which describes adsorption with an overlayed reaction, was derived by combining Redhead’s desorption theory, Eyring’s transition state theory and Arrhenius reaction theory. The new model was named RED1 model. Fitting the data with the new model desorption energies of 162 kJ/mol and 138 kJ/mol were found for alcohols and the surface moisture, which shows that the alcohols are stronger bonded to the surface as the water layer. This indicates that alcohol desorption cannot be assumed under physiological conditions. Beside the desorption energies Arrhenius parameter of the decay reactions were found being in the same range for water and the measured hydrocarbons (k0,rkt=0.07-7.22 s-1 and Erkt=26.91-43.33 kJ/mol). So, it can be assumed that the reaction is mainly explained by hydroxyl reactivities. The 3rd part of the project was analyzing the influence of the hydrocarbon contamination to the bioadsorption of amino acids. Therefore the surface was cleaned using different techniques to be able to measure adsorption on a non contaminated surface beside the measurement on a VOC contaminated surface. The experiments showed that the amino acid coverages on titanium oxide are larger if the surface is not contaminated with hydrocarbons. This effect seems to be located in the side chain of the amino acids. Thus, the contamination on the titanium oxide surfaces seems to inhibit the adsorption of biomolecules. Independent to this work G. Müller et. al. showed51, that more cells of a model strain for human osteoblasts are attached to a titanium alloy if the VOC amount is decreased. Both studies show comparable results with different methods in different scales. Thus, it can be assumed, that the air inside the operating room influences the success of an implantation.

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Metadaten
Author: Armin Ottmar Marx
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001998-4
Title Additional (English):Experimental study of the adhesion of biomolecules on biocompatible metal oxides in consideration of contaminations
Advisor:Prof. Dr. Walter Langel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/09/17
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/09/10
Release Date:2014/09/17
Tag:QCM
Impedance Spectroscopy, Implant, QCM, Thermal Desorption Spectrometry
GND Keyword:Adsorption, Desorption, Impedanzspektroskopie, Implantat, Massenspektrometrie, Scilab, Thermische Desorptionsspektroskopie, Titan, Titandioxid
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie