Biocoating of Implants with Mediator Molecules: Surface Enhancement of Metals by Treatment with Chromosulfuric Acid (1999)

Proteins such as the model protein 125I-ubiquitin and recombinant human bone morphogenetic protein 2 (125I-rhBMP-2) were covalently immobilized on titanium surfaces after reaction of the latter with aminopropyltriethoxysilane (APS) and activation with carbonyldiimidazole (CDI). On titanium powder (grain size ∼ 60 μm, 2400 cm2/g) net amounts of 15–60 ng/cm2 of 125I-ubiquitin could be coupled after correction for ca. 25% non-specifically adsorbed protein. Similarly, normal polished and special surface-enhanced titanium and stainless steel plates (size 1 × 10 × 15 mm) were modified as above and coupled with 125I-ubiquitin and 125I-BMP-2. The surface-enhanced metal plates were prepared by a special chromosulfuric acid treatment, probably leading to an etching of the metal surface and to an increase in the thickness of the metal oxide layer, which produced a strong enhancement of the binding capacity for chemical modification reactions. Dynamic contact angle measurements (Wilhelmy) of the clean surface-enhanced plates yielded an advancing contact angle of 18.0 ° and zero contact angle hysteresis. On such surface-enhanced titanium plates net amounts of 300–500 ng/cm2 of 125I-ubiquitin could be immobilized, values 2–5 fold higher than obtained on normal polished plates. In comparison 60–100 ng/cm2 125I-rhBMP-2 could be immobilized on the oxidized plates. The above technique is being applied as a tool for biocoating bone implants with the aim of constructing bone-cell-reactive interfaces with specific biorecognition properties. Biologisierung von Implantaten mit Biomolekülen: Oberflächenveredelung von Metallen durch Behandlung mit Chromschwefelsäure Proteine, wie das Modellprotein 125I-Ubiquitin und das rekombinante humane knochenmorphogenetische Protein 2 (125I-rhBMP-2), wurden kovalent an Titanoberflächen gekoppelt, die mit Aminopropytriethoxisilan (APS) umgesetzt und mit Carbonyldiimidazol (CDI) aktiviert worden waren. Auf Titanpulver (Korngröße ∼ 60 μm, 2400 cm2/g) konnte 125I-Ubiquitin in einer Nettomenge von 15–60 ng/cm2 gekoppelt werden, nach Korrektur für ca. 25% unspezifisch adsorbiertes Protein. In ähnlicher Weise wurden normale polierte und spezielle „oberflächenveredelte”︁ Titan- und rostfreie Stahlplättchen (Größe: 0.8–1 × 10 × 15 mm) aktiviert und mit 125I-Ubiquitin und 125I-rhBMP-2 gekoppelt. Die „oberflächenveredelten”︁ Plättchen wurden mit Hilfe einer speziellen Chromschwefelsäurebehandlung (Säureoxidierung) hergestellt, bei der wahrscheinlich durch Ätzung der Metalloberfläche und Verdickung der Oberflächenoxidschicht eine starke Erhöhung der Bindungskapazität für chemische Modifikationsreaktionen meßbar wird. Dynamische Kontaktwinkelmessungen nach Wilhelmy der „oberflächenveredelten”︁ Plättchen zeigten Kontaktwinkel ≤ 18 ° bei fehlender Kontaktwinkelhysterese, was auf eine sehr hydrophile homogene Oberfläche hinweist. Auf solchen Titanplättchen konnten 300–500 ng/cm2 an 125I-Ubiquitin kovalent gekoppelt werden, was einer 2–5fach höheren Menge als auf normalen polierten Plättchen entsprach. Im Vergleich konnten ca. 60 ng/cm2 an 125I-rhBMP-2 auf säureoxidierten Titanplättchen immobilisiert werden. Die dargestellte Oberflächenmodifikationstechnik soll eingesetzt werden, um Knochenimplantate mit rhBMP-2 zu biologisieren, mit dem Ziel, chemotaktisch-juxtakrine knochenzellreaktive Implantatoberflächen mit spezifischen biologischen Erkennungseigenschaften herzustellen.