Spektroskopische Charakterisierung von Titanoxid-Grenzflächen in Wechselwirkung mt Biomolekülen

• Applicant: Professor Dr. Eberhard Umbach
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 2001 to 2004
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5340800

Die Reaktionen des Organismus auf Implantate werden vor allem durch die Eigenschaften der unmittelbaren Grenzschicht zwischen der Werkstoffoberfläche und den molekularen Strukturen des Biosystems in Anwesenheit eines physiologischen Elektrolyten bestimmt. Es soll versucht werden, den Einfluss der Implantat-Oberfläche auf die Adhäsion der Biomoleküle im mikroskopischen Detail mittels spektroskopischer Grenzflächenanalytik zu charakterisieren. Dazu werden erstens unterschiedlich grenzflächenmodifizierte, vor allem oxidierte Werkstoffe, speziell Titan und Titanbasislegierungen, die von den Schwerpunktpartnern Prof. Thull und Dr. Eisenbarth hergestellt und mit anderen Methoden untersucht werden, hinsichtlich ihrer chemischen und elektronischen Eigenschaften im Detail charakterisiert und mit einer "idealen" epitaktischen Titan-Oxidoberfläche als Modellsystem verglichen. Zweitens wird die Wechselwirkung von Biomolekülen mit verschiedenen ausgewählten Titanoxid-Oberflächen untersucht, wobei vor allem die Wechselwirkung mit den kleinsten "reaktiven" Bausteinen, den Aminosäuren von Bedeutung ist und deshalb an ausgewählten Beispielen studiert werden soll. Bei der Auswahl und beim Vergleich verschiedener Proben und bei der jeweiligen Analyse wird vor allem darauf geachtet, unter welchen Präparationsbedingungen Veränderungen in der lokalen Stöchiometrie und der Oberflächentopographie der Implantate auftreten und welche Einflüsse Defekte, Stöchiometrie-Unterschiede, Topographie und lokale Felder auf das Bindungsverhalten und die Konformation der Aminosäuren haben. In der ersten zweijährigen Phase des Projekts wird die Charakterisierung der Oxidoberflächen und ihrer Wechselwirkung mit Aminosäuren im Vakuum mit etablierten Elektronenspektroskopien wie UV- und Röntgen-Photoemission (UPS/XPS), Augerspektroskopie (mit Röntgen-Anregung) und Röntgenabsorption (NEXAFS) vorgenommen. Ausgewählte Proben sollen außerdem mit hoch-ortsauflösenden Elektronenspektroskopien untersucht werden, um laterale Heterogenitäten der verschiedenen Modellimplantat-Oberflächen zu ermitteln. Die Untersuchungen zur Molekül-Substrat-Anbindung werden durch Thermodesorptionsuntersuchungen zur Ermittlung der Bindungsenthalpie ergänzt. In einer zweiten Phase des Projekts sollen möglichst auch spektroskopische Experimente an Titanoxidoberflächen in einer (physiologischen) Flüssigkeitsumgebung durchgeführt werden, wobei die derzeit in der Entwicklung befindlichen Nasszellen und zwei hochaufgelöste Röntgen-Spektroskopien im weichen Röntgenbereich eingesetzt werden sollen.

• DFG Programme: Priority Programmes
• Subproject of: SPP 1100: Interface between Biomaterial and Biosystem
• Participating Person: Professor Dr. Rainer H. Fink