Seiden-Protein Fibroin: Das neue Biomaterial in der Zahnheilkunde

Am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf wird Fibroin, das Protein Maulbeerseidenspinners, in der Zahnmedizin in zwei Formen getestet: Als Beschichtung von Zahnimplantaten und als Material für Membranen und Vliese zur Guided Bone Regeneration. Auf dem 3. Zukunftskongress der DGZI in Köln stellten Mitarbeiter der Sektion für „Regenerative Orofaziale Medizin“ der Hamburger MKG-Klinik (Leiter: Prof. Dr. Dr. Ralf Smeets) Ergebnisse ihrer Arbeiten vor.

Biomaterialien in der Medizintechnik

Biomaterialien werden in natürlicher oder synthetischer Form in der Medizintechnik als Werkstoffe für Implantate verwendet. Sie werden vielfach eingesetzt, um als Gerüststruktur die Bildung von Weichgewebe oder Knochen zu fördern. Solche Implantate eignen sich sowohl für den kurz- als auch langfristigen Einsatz und können in vielen Fällen durch Stoffwechselprozesse im Körper abgebaut werden, während neu gewonnenes Gewebe die Funktion des schwindenden Implantates übernimmt.

In der Orthopädie, der Zahnmedizin oder der Dermatologie gibt es für Biomaterialien bereits bewährte Anwendungen. Ein Anwendungsbeispiel ist der menschliche Kiefer: Barriere-Membranen aus Biomaterialien schirmen das Zahnfleisch effektiv ab und ermöglichen so die ungestörte Regeneration und Bildung neuen Knochengewebes, bis schließlich das Zahnimplantat gesetzt werden kann (Guided Bone Regeneration, GBR).

Die Proteine Firboin und Sericin als Hauptbestandteil natürlicher Seide erlangten als Biomaterial in den vergangenen Jahren immer mehr an Bedeutung im Fachbereich der Regenerativen Medizin. Beide Proteine bewährten sich durch ihre gute Biokompatibilität und pH-neutrale (proteolytische) Degradation bereits in zahlreichen In-vitro- und In-vivo-Studien.

Fibroin ist ein Biomaterial par excellence. Fibroin kann in Lösung extrahiert und zu einem Implantat verarbeitet werden. Es bietet viele vorteilhafte Eigenschaften in Hinblick auf Mechanik, Struktur und Degradation: Von hart bis weich, von kompakt bis porös, von kurzlebig bis dauerhaft – der Spielraum in der Herstellung von Fibroin-Implantaten ist enorm. Ein weiterer entscheidender Vorteil von Fibroin liegt in der Wahrnehmung durch den Menschen: Seiden-Proteine sind frei von religiösen oder ethischen Vorbehalten und damit als Biomaterial für viele Patienten eine willkommene Alternative.

Biologisierung von dentalen Implantatoberflächen

Die Biologisierung von dentalen Implantatoberflächen wird als zukunftsgerichtete Möglichkeit gesehen, die Osseointegration und Weichgewebsanlagerung klinisch zu optimieren. Eine vollständig biokompatible Oberflächenbeschichtung minimiert nicht nur die Abnutzung des Implantats, sondern verhindert gleichzeitig das Risiko allergischer Reaktionen und Entzündungen, welche durch das chirurgische Trauma selbst oder die Wechselwirkung zwischen Gewebe und Material verursacht werden.

Anforderungen an das Beschichtungsmaterial sind dabei Punkte wie Biokompatibilität, Nichttoxizität, eine geringe Immunogenität und eine einstellbare Abbaurate. Seidenfibroin erfüllt alle vorgenannten Anforderungen und übertrifft damit konventionell eingesetzte Beschichtungssysteme. Zudem regt Seidenfibroin eine bioaktive Interaktion des umliegenden Gewebes unter Zelladhäsion und -wachstum an.

Implantatbeschichtung mit Fibroin

In Materialtest wurden die Implantatmaterialien Titan, Magnesium und PMMA erfolgreich mit Seidenfibroin beschichtet. Im Vordergrund dieser Untersuchungen stand dabei der Aspekt, die Abstoßungsreaktion zu minimieren und das Risiko von Entzündungen nach Implantation so gering wie möglich zu halten.

Die Schichtdicken erreichten Werte von 5,14 ± 0,22 µm für Titan, und 0,41 ± 0,14 µm für PMMA. Bei genauer Betrachtung der Zelladhäsion auf der Seidenfibroinschicht konnten auf allen Werkstoffen Zellen nachgewiesen werden. Proinflammatorische TNF-α-Zytokine wurden im ELISA Test quantitativ bestimmt und zeigte innerhalb von 12 Stunden signifikant höhere Ergebnisse sowohl zwischen Medium und Fibroin-Probekörpern als auch zwischen beschichteten und nicht-beschichteten Implantatmaterialien. [1]

Die Layer-by-Layer-Technik als innovative Beschichtungsmethode erscheint aussichtsreich, in der Zukunft in ein stabiles automatisiertes Verfahren überführt zu werden, welches eine tragende Rolle im Bereich der orofazialen Medizin spielen könnte.

[!] Als neuartiges Biomaterial bietet Seidenfibroin die Biokompatibilität und Degradierbarkeit in Verbindung mit mechanischer Festigkeit und kombiniert damit die Eigenschaften konventioneller metallischer und biologischer Werkstoffe.

Seidenproteine als Träger von antibakteriellen Substanzen

In weiteren Materialtests an der Hamburger Uniklinik wurden aus Fibroin und Sericin gegossene Membranen (CM) und gesponnene Vliese (NW) mit antibakteriellen Beladungen aus Silberionen oder dem Antibiotikum Gentamicin hergestellt.

Mit Silberionen funktionalisierte Fibroinmembranen zeigten eine signifikant geringere Gesamt- und Lebendbakterienzahl mit einer Reduktion der Bakterienzahl um 3 Logarithmusstufen (99,9 % Reduktion) im Vergleich zu unbehandelten Kontrollmembranen und mit Gentamicin funktionalisierten Membranen. Mit Gentamicin funktionalisierte Fibroinvliese (NW-G) zeigten eine signifikant geringere Gesamt- und Lebendbakterienzahl im Vergleich zu unbehandelten Vliesen und mit Silberionen funktionalisierten Vliesen.

Im Hemmhoftest mit der Mischkultur konnte für Membranen mit Silber ein Hemmhof von 2 – 3 mm und für Membranen mit Gentamicin ein Hemmhof von 7 mm festgestellt werden. Im Hemmhoftest mit der Mischkultur konnte für Vliese mit Silber ein Hemmhof von 2 – 3 mm und für Vliese mit Gentamicin ein Hemmhof von 8 mm festgestellt werden. [2]

[!] Mit Silber und Gentamicin funktionalisierte Fibroin Materialien können eine antibakterielle Wirksamkeit erzielen. Im Sinne der Prävention von möglichen Antibiotikaresistenzen erweisen sich mit Silber funktionalisierte Fibroin Membranen und Vliese als eine geeignete Alternative in der GBR/GTR.

Membran aus Seidenfibroin und Magnesium

Der Einsatz synthetischer Barrieremembranen für horizontale und vertikale Augmentationen ist seit Jahren fester Bestandteil implantologischer Behandlungen. Aktuell werden im Bereich der „Guided-Bone-Regeneration-Technik“hauptsächlich Membranen aus Kollagen oder PTFE verstärkt mit Titan (zur Vermeidung des „Membrankollaps in den Defekt“) für die Augmentation verwendet. Die mit Titan verstärkten PTFE-Membranen erfordern eine zweite, aufwändige Operation zur Entfernung des Materials. Kollagenmembranen hingegen sind bereits bioresorbierbar, jedoch oft mit ethischen Herausforderungen aufgrund der tierischen Herkunft verbunden.

Die Kombination der bioresorbierbaren Werkstoffe Fibroin und Magnesium, und damit die Herstellung einer kompositen Verbundstruktur zur Verwendung als Barrieremembran, bietet daher die Möglichkeit, eine zweite Operation überflüssig zu machen und ethischen Diskussionen vorzubeugen. Die Anforderungen an eine solche Barrieremembran sind neben

Das Seidenfibroin zeichnet sich durch eine hohe Biokompatibilität, Nichttoxizität und geringe Immunogenität aus. Magnesium unterstützt die Knochenheilung und besitzt darüber hinaus eine mechanische Festigkeit nahe der von kortikalem Knochen. Die Kombination aus Fibroinmembran, Magnesiumstruktur und Vliesstoff stellte sich hierbei als erfolgreicher Ansatz heraus. Dazu wurde eine Membran aus Seidenfibroin gegossen, auf welche die Magnesiumstruktur geklebt und anschließend mit Seidenfibroin versponnen wird. [3]

[!] Verbundstrukturen aus Seidenfibroin und Magnesium eignen sich zum Einsatz als Barrieremembran für horizontale und vertikale Augmentationen. Durch die Biokompatibilität und Degradierbarkeit des Seidenfibroins sowie des Magnesiums sind beide Materialien für medizinische Anwendungen besonders geeignet. Die Kombination könnte zu einem etablierten Implantationsmaterial führen, das die Vorteile einer kontrollierbaren Abbauzeit, belastbarer Eigenschaften und einer heilungsfördernden Oberfläche vereint.

[1] Sandra Fuest, M.Sc.Biologisierung von dentalen Implantatoberflächen mittels Seidenfibroin – eine experimentelle in-vitro-Studie.
[2] Sogand Schäfer. Antibakteriell beladene Fibroin / Sericin-Membranen und -Vliese für den Einsatz in der GBR/GTR – eine in-vitro-Studie
[3] Ralf Smeets. Eine neuartig-bioresorbierbare Magnesium/Seiden-Membran für die GBR/GTR.
alle: 3. Zukunftskongress der DGZI, Köln, 01.- 02.10.2021.